高溫?zé)煔馊ㄩy在硫酸裝置中的應(yīng)用

荀中正 劉 晟

（湖南百利工程科技股份有限公司）

閥門是工業(yè)管線上流體控制的一個重要附件， 面對著工業(yè)系統(tǒng)各種復(fù)雜和繁多的工況，所以保證閥門工作的可靠性就變得尤為重要。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程項(xiàng)目對高溫閥門的需求越來越多，但由于高溫的長時間作用會對閥體金屬材料的物理性能、機(jī)械性能等方面產(chǎn)生影響［1］，所以筆者通過硫酸裝置中高溫?zé)煔馊ㄩy的選用，為高溫閥門的設(shè)計(jì)和選材提供一種可行性參考。

1 項(xiàng)目背景及流程

某企業(yè)的己內(nèi)酰胺事業(yè)部硫酸硫磺制酸裝置的高溫?zé)煔馊ㄩyTV-3006， 原來是為了將硫化氫制酸裝置生產(chǎn)的SO2煙氣送往硫磺制酸裝置轉(zhuǎn)化工段前，由80℃提升至420℃，而后在硫磺裝置焚硫爐F-201 尾部開孔接管， 通過高溫?zé)煔馊ㄩyTV-3006 將部分950℃高溫氣體與上述氣體混合，達(dá)到控溫的目的。

在硫化氫裝置獨(dú)立制酸后， 三通閥TV-3006基本處于停用狀態(tài)，同時由于原三通閥采用的是水平安裝方式，受安裝方式、焚硫爐F-201 高溫爐氣等多因素的影響，三通閥TV-3006 閥桿變形嚴(yán)重，并且逐漸無法完全關(guān)閉，微漏的高溫爐氣造成三通閥TV-3006 本體腐蝕， 經(jīng)常出現(xiàn)煙氣泄漏，嚴(yán)重時裝置需停車處理；而相連管線的設(shè)計(jì)溫度不超過500℃， 經(jīng)三通閥TV-3006 漏入的高溫爐氣已導(dǎo)致該管線變形， 存在嚴(yán)重的安全隱患。 高溫?zé)煔馊ㄩy的工藝管道及儀表流程如圖1 所示。

圖1 高溫?zé)煔馊ㄩy的工藝管道及儀表流程

2 高溫?zé)煔馊ㄩy選型要點(diǎn)

目前，對高溫閥門高溫等級劃分尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，樂精華根據(jù)十幾年的工作經(jīng)驗(yàn)將高溫閥門分為5 個等級， 即閥門工作溫度為425～550℃的為PⅠ級，550～650℃為PⅡ級，650～730℃為PⅢ級，730～816℃為PⅣ級，大于816℃為PⅤ級［2］。

本項(xiàng)目中，高溫?zé)煔馊ㄩy高溫側(cè)煙氣溫度高達(dá)950～1 200℃，低溫側(cè)煙氣溫度為80℃，混合氣出口溫度在400～450℃， 所以需要考慮多種溫度工況對閥門的影響。

2.1 閥門本體材料選擇

在高溫閥門的設(shè)計(jì)過程中， 為保證閥門能夠承受高溫，并且物理性能、結(jié)構(gòu)組織等不發(fā)生變化，設(shè)計(jì)人員需要特別注意閥門的選材。 其中PⅠ～PⅣ級閥門主要靠選擇合適的材料以保證其性能。 閥門常見使用材料有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和以鐵、鎳、鈷為基的耐高溫合金鋼；PⅤ級閥門除選擇材料外， 還需要考慮特殊的設(shè)計(jì)手段，如采用隔熱襯里或冷卻措施等。

本項(xiàng)目中的閥門涉及多種溫度環(huán)境，特別是高溫側(cè)溫度已超過900℃， 普通選材已經(jīng)很難滿足高溫工況的要求，所以閥門和管道采用襯里結(jié)構(gòu)，通過高溫襯里材料將高溫?zé)煔飧綦x。 閥門閥體材料采用了與工藝管線材料一致的低合金、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345C， 要求閥體壁厚設(shè)計(jì)不小于16mm， 既能滿足閥門在實(shí)際過程中承受最大壓力值的要求，也能保證閥門與工藝管道焊接以后熱膨脹、熱交變的一致性，盡可能減小對高溫襯里材料的影響。

2.2 閥門內(nèi)件材料選擇

閥門內(nèi)件材料直接與高溫介質(zhì)接觸，高溫環(huán)境下使用材料要有足夠的高溫強(qiáng)度、耐高溫氧化和腐蝕性能，同時設(shè)計(jì)人員還需要考慮材料的膨脹性質(zhì)、運(yùn)動部件的擦傷概率等。

高溫環(huán)境下工程上常用的合金有鐵基合金、鎳基合金及鈷基合金等。 鐵基合金價格便宜，但是由于體心立方晶體結(jié)構(gòu)的高溫強(qiáng)度較差，使用溫度較低；鎳基合金為奧氏體結(jié)構(gòu)，耐溫性能好，價格適中；鈷基合金性能最好，但價格較貴。 常用材料最高許用溫度見表1［2］，需要特別說明的是，在實(shí)際閥門設(shè)計(jì)中還要考慮介質(zhì)腐蝕性、應(yīng)力水平等因素，當(dāng)合金承受較大工作應(yīng)力時，其最高許用溫度一般還應(yīng)降低50～100℃。

表1 常用材料最高許用溫度 ℃

本項(xiàng)目中原高溫?zé)煔馊ㄩy閥桿和閥座材料均采用S31008，閥門內(nèi)部采用耐火磚堆砌，閥門采用板式閥芯，調(diào)節(jié)性能較差，且閥座長時間高溫使用極易變形，閥芯、閥座與內(nèi)襯膨脹性不一致，密封性能差，存在較大安全隱患。 本次改造通過多方調(diào)研和查閱資料，閥芯和閥座材料調(diào)整為Co50，Co50耐溫可達(dá)到1 300℃，比Cr25Ni20 具有更強(qiáng)的抗氧化性和耐磨性， 特別是在氧化硫環(huán)境中具有較高的抗腐蝕性能，同時Co50 在1 050～1 300℃的高溫下， 鈷合金比鉻鎳耐熱合金具有更高的蠕變強(qiáng)度和極限強(qiáng)度［3］，其高溫?zé)龘p要小得多。 Co50 材料化學(xué)成分及其機(jī)械性能見表2、3。

表2 Co50 材料化學(xué)成分 %

表3 Co50 材料機(jī)械性能

2.3 閥門密封填料選擇

閥門填料是動密封的填充材料，用于填充函空間以防止流體從閥桿與填料函之間泄漏。 填料的材料可分為編織填料、 彈性體和工程塑料、機(jī)械加工材料等。 焚硫爐F-201 高溫爐氣底部高溫?zé)煔鉁囟冗_(dá)900℃以上， 普通彈性體和工程塑料填料難以滿足要求。 為此，筆者總結(jié)了幾種閥門常用高溫密封填料及其特點(diǎn)［4］，詳見表4。

表4 閥門常用高溫密封填料及其特點(diǎn)

本項(xiàng)目中高溫?zé)煔馊ㄩy填料采用石墨與陶瓷纖維組合方式， 底部高溫段采用陶瓷纖維，低溫段填充柔性石墨， 并配有專門冷卻密封裝置，采用低溫氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，氮?dú)饪梢苑乐垢邷匮趸瑫r降低填料處的溫度。

2.4 高溫襯里材料選擇

高溫襯里材料的選擇需要考慮以下因素：最高使用溫度、長期使用溫度、耐火度、體積密度、耐壓強(qiáng)度、耐折強(qiáng)度、線變化率、熱膨脹系數(shù)及蠕變極限等。 高溫襯里一般采用高溫耐火磚堆砌，有時也采用澆筑材料，常見的澆筑材料有莫來石PN-AM52、PN-AM62、高鋁水泥525 號及濮耐PN-140 等，各個廠家牌號雖不相同，但大多數(shù)主要成分為Al2O3。 常用高溫澆筑材料的耐火度見表5，本項(xiàng)目中閥門內(nèi)襯材料采用濮耐PN-140。

表5 常用高溫澆筑材料耐火度 ℃

2.5 閥桿防脫落及吹出設(shè)計(jì)

高溫?zé)煔馊ㄩy閥桿材料采用S31008，閥桿末端接觸到高溫?zé)煔?，在?yīng)力作用下極易變形或者脫落，所以閥桿采用底穿式結(jié)構(gòu)，底部再做焊接處理，防止閥芯脫落。 閥桿外部帶限位裝置和閥桿防吹出設(shè)計(jì)。

2.6 閥門定位器選擇

智能閥門定位器采用智能處理器，儀表氣全電氣實(shí)現(xiàn)，相比常規(guī)定位器，其優(yōu)點(diǎn)如下：

a. 智能閥門定位器機(jī)械可動部件少，輸入信號、反饋信號的比較是數(shù)字比較，不易受環(huán)境影響，工作穩(wěn)定性好，不存在機(jī)械誤差造成的死區(qū)影響，因此定位精度和可靠性高；

b. 智能閥門定位器一般都包含有常用的直線、對數(shù)和快開特性功能模塊，可以通過按鈕或上位機(jī)、手持式數(shù)據(jù)設(shè)定器直接設(shè)定，因此流量特性修改方便；

c. 零點(diǎn)調(diào)整與量程調(diào)整互不影響，因此調(diào)整過程簡單快捷，許多智能閥門定位器不但可以自動進(jìn)行零點(diǎn)與量程的調(diào)整，而且能自動識別所配裝的執(zhí)行器規(guī)格，如氣室容積、作用形式等，自動進(jìn)行調(diào)整，從而使調(diào)節(jié)閥處于最佳工作狀態(tài)；

d. 具有自診斷功能；

e. 智能閥門定位器能輸出與調(diào)節(jié)閥實(shí)際動作相對應(yīng)的反饋信號，可用于遠(yuǎn)距離監(jiān)控調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)。

本項(xiàng)目中高溫?zé)煔馊ㄩy采用智能閥門定位器，但是需要注意的是，因?yàn)殚y門公稱直徑比較大，閥門、閥內(nèi)件重量超過1t，進(jìn)行自整定時設(shè)置整定時間不宜太短，否則容易造成閥內(nèi)件磨損或者損害，可手動整定或者設(shè)置特殊整定曲線［5］。同時閥門全行程時間要求30s 左右， 若全行程時間太短會增加閥門本身成本和閥內(nèi)件損傷的可能性。

3 高溫?zé)煔馊ㄩy結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目中高溫?zé)煔馊ㄩy（圖2）為合流型三通調(diào)節(jié)閥，閥座采用弧形面板，閥座Co50 金屬圈通過金屬拉桿嵌在特殊高溫內(nèi)襯中，使之更耐閥芯沖擊，閥腔全部采用特殊的高溫內(nèi)襯，極限溫度可達(dá)1 800℃，閥桿采用整體加工直型閥桿，末端底穿式螺紋加焊接方式可以更好地防止閥芯高溫脫落。

圖2 高溫?zé)煔馊ㄩy結(jié)構(gòu)

4 高溫?zé)煔馊ㄩy安裝要點(diǎn)

高溫?zé)煔馊ㄩy口徑低溫側(cè)與混合氣出口的公稱直徑為1 400mm，高溫?zé)煔馊肟诠Q直徑1 900mm， 閥門整體高度5～6m，Co50 材料的閥芯、閥座重1t 左右，因此閥門安裝必須保證垂直，否則在高溫?zé)煔猸h(huán)境下， 閥桿極易變形甚至斷裂，產(chǎn)生泄漏，影響生產(chǎn)安全。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，管道中低溫水平管線設(shè)置兩層內(nèi)襯：一層為耐火磚，另一層為保溫磚；高溫?zé)煔馊肟诠艿涝O(shè)置3 層內(nèi)襯，包括兩層耐火磚和一層保溫磚，各層保溫磚和耐火磚之間用膠泥填實(shí)固定， 最靠近管道內(nèi)壁設(shè)置厚度為3mm 的石棉板。 閥門與管道襯里不允許分段施工，必須配管全部完成后才能進(jìn)行管道內(nèi)襯耐火磚施工，管道耐火磚內(nèi)襯施工完畢后必須預(yù)留足夠的自然通風(fēng)養(yǎng)護(hù)時間，投運(yùn)時逐步升溫直至正常后方可投用。

5 結(jié)束語

在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，工程項(xiàng)目對高溫閥門的需求越來越多，同時對于高溫閥門的技術(shù)要求也越來越高，為了延長高溫閥門的使用壽命，使高溫閥門在實(shí)際工作中能夠充分發(fā)揮其密封和調(diào)節(jié)作用，必須對高溫閥門進(jìn)行合理選型、合理選材， 同時必須正確選擇安裝方式并進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)。 筆者通過實(shí)際的工程應(yīng)用，切實(shí)解決了原裝置高溫?zé)煔馊ㄩy在使用過程中存在的閥門泄漏、閥桿變形等問題，改造后裝置目前運(yùn)行狀況良好，同時也為高溫閥門設(shè)計(jì)和選材提供了一種可行性參考。