陳緗雯

（中石化上海工程有限公司，上海200120）

隨著中國燃油汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展以及國內(nèi)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，加氫裝置也在近二十年來得到高速發(fā)展。在加氫工藝中加氫精制環(huán)節(jié)的幾個關(guān)鍵位置，都使用了高壓角閥。高壓角閥的性能和壽命，對整個裝置的安全生產(chǎn)周期和效益至關(guān)重要。

1 高壓角閥的工況特性

由于加氫裝置的工藝特性以及工藝介質(zhì)的特殊性，高壓角閥的操作工況溫度可達(dá)到425℃，壓力可達(dá)到24.5 MPa。加氫裝置的工藝流程和高壓角閥的位置如圖1所示。

1.1 高壓分離器排放閥

該閥門的使用壓力為10.0～24.5 MPa，溫度為200～455℃。由于所使用的位置要求壓降高，容易產(chǎn)生閃蒸、氣蝕、出口空化，同時物料介質(zhì)既有氣液兩相的碳?xì)浠衔锖蜌錃?，也有固體催化劑顆粒，還有H2S和NH3等腐蝕性介質(zhì)。

1.2 低壓低溫分離器閥

該閥門的使用壓力為6.0～10.5 MPa，溫度為90～260℃。所使用的位置也同樣要求高壓降，容易產(chǎn)生閃蒸、氣蝕、出口空化，同時物料介質(zhì)也是氣液兩相的碳?xì)浠衔?、氫氣，固體催化劑顆粒，還有H2S和NH3等腐蝕性介質(zhì)。

圖1 加氫裝置工藝流程和角閥的位置示意

1.3 酸水排放閥

該閥門的使用壓力為6.5～24.5 MPa，溫度為60～450℃。所使用的位置要求壓降高，容易產(chǎn)生閃蒸、氣蝕、出口空化，物料介質(zhì)含有H2S和NH3，特別是固體顆粒沖刷更嚴(yán)重。

2 高壓角閥總體情況

目前為止，很多加氫裝置采用了國外專利，同時受制于之前國內(nèi)閥門行業(yè)制造水平和研發(fā)水平的限制，國內(nèi)加氫裝置中的高壓角閥主要還需隨工藝包進(jìn)口成套引進(jìn)，后期新建裝置也使用了進(jìn)口閥門。早期進(jìn)口的高壓角閥結(jié)構(gòu)設(shè)計相對落后，使得整個生命周期中故障率一直較高，近幾年在高壓閥門更新升級的情況下，故障率雖然在逐步降低，但通常情況下，進(jìn)口高壓角閥在中國境內(nèi)工廠中的應(yīng)用過程中很多備件還是依賴進(jìn)口為主，故維修周期通常較長，同時購買或維修的費用較高。隨著國內(nèi)優(yōu)秀的高壓角閥制造商研發(fā)和制造水平的不斷提高，通過國產(chǎn)化攻關(guān)、維修替代和公開競爭，獲得了越來越多的市場份額，從技術(shù)角度上判斷，國產(chǎn)高壓角閥在加氫裝置上已經(jīng)可以替代進(jìn)口高壓角閥。但實際國內(nèi)自主研發(fā)的產(chǎn)品能夠量產(chǎn)的不多，技術(shù)專利上的關(guān)鍵性突破也很少，所以還有很多的基礎(chǔ)工作需要各方面共同努力，當(dāng)然同時也說明國產(chǎn)高壓角閥有很大的發(fā)展空間。

3 高壓角閥設(shè)計和使用的常見問題

由于加氫裝置工藝物料含有顆粒物以及H2S和NH3等腐蝕介質(zhì)，具有高壓高溫的特性，故對高壓角閥的設(shè)計要求較高。結(jié)合項目設(shè)計過程中碰到的問題以及加氫裝置用戶使用的經(jīng)驗，在設(shè)計和閥門實際使用過程中經(jīng)常會遇到以下一些問題：

1)由于壓降要求高以及工況要求復(fù)雜，因而閥門容易產(chǎn)生開度過低，動作抖動劇烈的問題。

2)由于介質(zhì)含有固體顆粒和腐蝕性物料，閥芯和閥桿容易脫離，閥芯容易產(chǎn)生沖刷和腐蝕損耗而引起內(nèi)漏，造成停車檢修。

3)高壓差工況，容易產(chǎn)生介質(zhì)閃蒸、氣蝕、出口空化，閥桿容易彎曲變形。

4)閥桿填料容易泄漏。

4 高壓角閥的選型

高壓角閥是加氫裝置幾個關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能和使用壽命的好壞，直接影響到整個裝置的安全性和效率。因此，在高壓角閥的選型時，需要對閥門材料選擇，閥門結(jié)構(gòu)型式、內(nèi)件型式設(shè)計以及裝置工藝設(shè)計等多方面進(jìn)行綜合考慮。

4.1 閥門材料的選擇

由于壓力等級高、介質(zhì)溫度高，同時工藝介質(zhì)中含有H2S等腐蝕性物料，因而閥體必須選擇符合NACE標(biāo)準(zhǔn)的材料。為滿足NACE要求，所有碳鋼含碳的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.22%，最大硬度不超過HRC22；不銹鋼最大硬度不應(yīng)超過HRC22；17-4PH材料經(jīng)過H1150D處理后可以使用，最大硬度不超過 HRC33即可；Inconel 718材料在最大硬度不超過HRC35的情況下可以放心使用；Stellite合金均可使用。

閥座宜考慮堆焊硬化處理，例如堆焊Stellite 12號合金，硬度可以達(dá)到 HRC48，既能滿足NACE要求，又可以更好地抵抗高壓及高壓差介質(zhì)以及固體顆粒的沖刷磨蝕。

閥內(nèi)件需選擇高硬度的材料以抵抗固體顆粒的磨蝕，可以選擇SST w/alloy 6，Inconel 718等材料，特殊工況也可以選用碳化鎢材料的閥門內(nèi)件。在閥芯密封面也應(yīng)該考慮堆焊強化處理。

所有以上閥體、閥內(nèi)件都需要有完善的無損檢測（NDE）方案，射線照相檢查（RT）在必要的工段必須進(jìn)行。

閥體和閥內(nèi)件材料的正確選擇，能夠有效抵抗固體顆粒沖刷和腐蝕性物料的侵蝕，在一定程度上保證閥門有效的生命周期。

4.2 閥門結(jié)構(gòu)型式和內(nèi)件型式的設(shè)計

1)多級降壓。由于高壓差工況的要求，目前主流的高壓角閥制造商，都采用多級降壓的閥芯設(shè)計。多級降壓閥芯形式如圖2所示，通過合理的多級降壓設(shè)計，能夠有效避免每一級降壓的壓差過大，使液體的壓力始終維持在飽和蒸氣壓之上，避免閃蒸、氣蝕、出口空化，從而減少了介質(zhì)對閥芯閥座的沖刷破壞，同時也降低了噪音。根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗，如果沒有采用多級降壓、降壓級數(shù)不夠或者閥芯的降壓設(shè)計不合理，閥門使用一段時間之后，會出現(xiàn)閥門內(nèi)漏問題。

2)防止固體顆粒堵塞。由于介質(zhì)含有催化劑固體顆粒，在考慮多級降壓的情況下，也需要防止固體顆粒堵塞閥芯。特別是在大口徑的高壓角閥設(shè)計中，由于壓差大需考慮平衡式閥芯以避免執(zhí)行機構(gòu)選擇過大，平衡孔的防堵塞設(shè)計更需要著重考慮。同時，還應(yīng)該考慮在線維修的方便，在產(chǎn)生堵塞情況下，可以有效地及時處理。多級降壓并防堵塞閥芯形式如圖3所示。

圖2 多級降壓閥芯形式示意

圖3 多級降壓并防堵塞閥芯形式示意

3)避免閥門開度過低。由于壓降要求高，工況復(fù)雜，高壓角閥在實際使用中會遇到某些工況下閥門開度過低，造成調(diào)節(jié)性能差、閥門動作不穩(wěn)定、抖動嚴(yán)重，極容易對閥門產(chǎn)生損傷，也不利于裝置的穩(wěn)定操作。所以在閥門選型時，應(yīng)該選擇可調(diào)比大、在小開度情況下有特殊設(shè)計的高壓角閥，同時閥芯盡可能選擇全行程導(dǎo)向，并使用加強型閥桿，保證閥門控制的穩(wěn)定性。防氣蝕的平衡型閥芯結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

4)閥桿填料防泄漏。由于物料的性質(zhì)，需要選用符合德國潔凈空氣標(biāo)準(zhǔn)（TA-LUFT）或ISO 15848 Industrial Valves—Measurement，test and Qualif ication Procedures for Fugitive Emissions的填料密封結(jié)構(gòu)。例如可以考慮填料密封采用動態(tài)密封結(jié)構(gòu)，利于動態(tài)碟簧行程限位確保動態(tài)密封的可靠性；同時，填料材質(zhì)需要選擇能夠耐高溫高壓的特定材料，確保填料在高溫高壓下仍能保持良好的密封性能。同時閥桿也必須選擇滿足NACE要求的材料，避免閥桿腐蝕引起填料處泄漏。

圖4 防氣蝕的平衡型閥芯結(jié)構(gòu)示意

5)閥桿和閥芯連接。由于物料的沖刷強度大，同時具有腐蝕性，因而閥桿和閥芯需要考慮防脫落防抖動設(shè)計結(jié)構(gòu)。在閥芯較小的情況下，閥芯閥桿考慮采用一體式結(jié)構(gòu)，避免由于振動而脫落；在閥芯較大的情況下，閥芯閥桿考慮牢固連接的結(jié)構(gòu)，例如采用螺紋連接配合銷釘固定的連接形式，可以將銷釘設(shè)計為盲銷，基本避免了脫落的可能。

6)V級關(guān)斷密封。在加氫裝置高壓角閥需達(dá)到V級關(guān)斷密封要求，并且需要長期保持，不能有內(nèi)漏。對于該惡劣的工況，閥座必須選擇有特殊設(shè)計的保護(hù)性閥座，以延長閥門的使用壽命和維護(hù)周期。

4.3 裝置工藝設(shè)計方面的考慮

在加氫裝置中高壓角閥對安全以及穩(wěn)定運行有重要影響，因而工藝設(shè)計上對于每個工位的閥門應(yīng)該考慮冗余設(shè)計。雖然冗余設(shè)計會對項目的投資帶來一定影響，但是從整個裝置全生命周期穩(wěn)定運行和安全方面考慮是完全值得的。

4.4 售后服務(wù)和維護(hù)支持

高壓角閥的重要性，使得產(chǎn)品的售后服務(wù)和維護(hù)成為保障裝置持續(xù)穩(wěn)定運行和縮短停車檢修時間的重要因素之一。所以在選型時，應(yīng)該避免選擇在國內(nèi)沒有維修工廠的高壓角閥，同時對于能夠提供及時響應(yīng)以及具有長期備件庫存的高壓角閥，應(yīng)重點考慮。

5 結(jié)束語

如何選擇合適的高壓角閥，如何維護(hù)好高壓角閥，是加氫裝置儀表設(shè)計和儀表管理人員關(guān)注的首要因素。通過對高壓角閥合理的設(shè)計、選型、使用，能夠有效提高高壓角閥的生命周期，從而為整個加氫裝置的穩(wěn)定運行提供必要的條件。