高志森

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506）

0 引 言

呼倫貝爾金新化工有限公司（簡(jiǎn)稱金新化工）800kt／a尿素裝置采用荷蘭Stamicarbon公司新一代改進(jìn)型CO2汽提工藝，設(shè)計(jì)尿素產(chǎn)能為2860t／d。其中，尿素合成塔出料調(diào)節(jié)閥（HV2101）高3.5m、重3.6t，流向?yàn)榱鏖_，填料函材質(zhì)為Safurex；HV2101設(shè)計(jì)壓力14.12 MPa、溫度185℃、流量518620kg／h，出料（尿液）密度972kg／m3。

尿素合成塔反應(yīng)液通過出料調(diào)節(jié)閥（HV2101）調(diào)節(jié)進(jìn)入CO2汽提塔上部，通過液體分布器呈膜狀沿汽提管內(nèi)壁向下流動(dòng)。HV2101工作是否穩(wěn)定、精確，不僅影響到尿素合成塔的液位控制，而且還影響到下游CO2汽提塔的液位、低壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。HV2101自2011年投用以來，每年均需對(duì)其閥內(nèi)件及密封填料進(jìn)行維修及更換，因HV2101體型較為龐大，每次檢修均需要大量的人員進(jìn)行配合，維修時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大；生產(chǎn)中也曾因填料長(zhǎng)時(shí)間泄漏造成閥桿卡死無法動(dòng)作，尿素裝置物料中斷近40h，尿素裝置被迫停車處理，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 尿素合成塔出料調(diào)節(jié)閥運(yùn)行問題及原因分析

尿素合成塔出料調(diào)節(jié)閥（HV2101）操作壓力非常高，調(diào)節(jié)尿素合成塔與CO2汽提塔液位時(shí)HV2101動(dòng)作頻繁，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017—2018年兩年間因生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定導(dǎo)致尿素裝置開停車高達(dá)36次（主要是上游系統(tǒng)出問題所致），尿素裝置經(jīng)常短?；蚍馑?，導(dǎo)致HV2101處工藝介質(zhì)溫差較大，致使其閥桿填料處出現(xiàn)介質(zhì)泄漏，且無法在線處理——泄漏量較小時(shí)，系統(tǒng)可監(jiān)護(hù)運(yùn)行，每班加強(qiáng)HV2101巡檢；泄漏量較大時(shí)，只能被迫停車處理，給生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患，影響裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，增加人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)分析與梳理，HV2101運(yùn)行問題的主要原因如下。

1.1 工況苛刻而易發(fā)生故障

HV2101所處工況壓力高、溫度高，尿液腐蝕性較強(qiáng)，閥門動(dòng)作頻繁，易造成填料損壞、閥桿及填料函相關(guān)部件損壞，經(jīng)常出現(xiàn)介質(zhì)外漏；同時(shí)，因尿液在低溫環(huán)境下易結(jié)晶，系統(tǒng)開停車過程中溫差較大，泄漏的尿液在填料腔體內(nèi)結(jié)晶、膨脹，會(huì)導(dǎo)致密封填料變形而閥門卡澀，帶來較大的安全隱患并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 填料函設(shè)計(jì)不合理

HV2101填料壓蓋采用螺紋緊固設(shè)計(jì)（螺紋式填料壓蓋），使用過程中由于填料損壞介質(zhì)泄漏，尿液結(jié)晶體附著在螺紋縫隙內(nèi)，導(dǎo)致在緊固填料時(shí)填料壓蓋螺紋與填料腔體螺紋咬死，緊固時(shí)所需扭矩較大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致螺紋損壞，無法拆卸。2014年、2017年均發(fā)生過此種問題，導(dǎo)致維修難度及勞動(dòng)強(qiáng)度加大。

此外，HV2101填料壓蓋采用螺紋緊固的方式易將填料函內(nèi)導(dǎo)向環(huán)及填料壓偏，且易將壓蓋螺紋和填料函腔體螺紋拉變形，不易將填料壓實(shí)，易發(fā)生介質(zhì)外漏及填料壓蓋螺紋與填料函腔體螺紋咬死的問題。

1.3 填料選型不當(dāng)

原設(shè)計(jì)HV2101填料選用的是PTFE／35%Kohle繩狀填料，使用壽命短。2016年改用60°V型PTFE填料，因所處工況溫度較高，PTFE填料使用3～5個(gè)月就會(huì)因老化而致閥桿和填料處介質(zhì)泄漏；2017年改用60°V型改性增強(qiáng)PTFE填料，使用效果較好，但仍未達(dá)到預(yù)期效果。

2 改造方案

為保證尿素裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行，經(jīng)過多年的數(shù)據(jù)收集，針對(duì)上述原因逐項(xiàng)進(jìn)行分析，2018年提出對(duì)HV2101閥內(nèi)件進(jìn)行改造，即將螺紋式填料壓蓋改為活塞式填料壓蓋，總體方案為：HV2101填料腔體重新進(jìn)行加工，將螺紋式填料壓蓋改為活塞式填料壓蓋，并將填料改為兩段式復(fù)合型填料，考慮到閥門的結(jié)構(gòu)和尺寸，最終采用抱箍式壓緊結(jié)構(gòu)，具體如下。

2.1 填料腔體

（1）在原填料腔體的基礎(chǔ)上增加一個(gè)卡槽（如圖1），用來安置承力抱箍。

圖1 改造前后填料腔外觀示意圖

（2）考慮到調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝位置，填料腔體高度及閥桿長(zhǎng)度均增加10mm。

（3）抱箍采用對(duì)剖式，四點(diǎn)承力，其中兩點(diǎn)承受抱合壓緊力，另外兩點(diǎn)承受壓緊螺栓拉應(yīng)力；抱箍凹槽采用梯形設(shè)計(jì)，抱箍厚度45mm，可保證在抱合螺母壓緊時(shí)有最大的接觸面積。

2.2 活摘壓蓋組件

（1）活摘壓蓋組件包括填料壓蓋、填料壓緊螺栓、承力抱箍、預(yù)緊碟簧。其中，填料壓緊螺栓選用35CrMo材質(zhì)8.8級(jí)M16螺栓，抱箍選用316材質(zhì)、厚度45mm，壓板選用316材質(zhì)、厚度38mm。

（2）在填料壓緊螺栓上增加一對(duì)彈簧墊片，保證填料在介質(zhì)壓力、溫度等變化時(shí)有一定的預(yù)緊力進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3 填料組件

（1）因填料腔體較長(zhǎng)，為保證填料的密封性與閥桿的對(duì)中性，在填料腔體內(nèi)增加導(dǎo)向軸套，保證閥桿在懸臂梁的狀態(tài)下能夠讓閥芯與閥座密封面吻合。

（2）將填料腔分為3層，下層接觸尿液部分采用耐高溫石墨繩編制成型的填料，中間層采用Safurex軸套，上層采用加強(qiáng)型四氟棒加工的V型填料。

2.4 閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇

2.4.1 閥芯、閥桿材質(zhì)的選擇

因此前已經(jīng)采用UNSS31260材質(zhì)制作過閥桿和閥芯且現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕，故本次技改仍然采購(gòu)UNSS31260鋼材制作閥芯、閥桿。

2.4.2 填料腔體材質(zhì)的選擇

廠家設(shè)計(jì)資料中填料腔體材質(zhì)為Safurex。通過S32906與Safurex材料成分及硬度的對(duì)比（如表1）可知：S32906與Safurex成分相近，填料腔體材質(zhì)可選用S32906，但S32906的硬度高于Safurex的理論硬度，為保證閥體不被損壞，在填料腔體加工完成后，對(duì)其密封面進(jìn)行表面退火處理，適當(dāng)降低其表面硬度，由此可在填料腔體與閥體硬密封配合時(shí)起到保護(hù)閥體的作用。

表1 填料腔體材料分析數(shù)據(jù)對(duì)比

3 關(guān)鍵部件選用及理論驗(yàn)證

3.1 填料壓蓋承受力的計(jì)算

尿素合成塔出料調(diào)節(jié)閥（HV2101）操作壓力較高，在更改填料壓蓋設(shè)計(jì)時(shí)須進(jìn)行嚴(yán)格核算和審查，以保證改造效果。由HV2101設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出閥門填料所受力矩（考慮到閥門的安全性，HV2101填料使用壓力取閥門設(shè)計(jì)壓力14.12MPa的1.5倍）F＝πR2p＝3.14×332×（14.12×1.5）＝72424.1628N／mm2（式中：F—填料腔體受力，N／mm2；R—填料腔體半徑，mm；p—填料使用壓力，MPa）。

3.2 填料壓緊螺栓承受力的計(jì)算

據(jù)設(shè)計(jì)方案，HV2101填料壓緊采用2根螺栓，考慮到填料壓緊過程中會(huì)出現(xiàn)單顆螺栓壓緊情況（即一顆螺栓受力的情況），故在計(jì)算填料壓緊螺栓承受力時(shí)選用填料壓蓋最大受力進(jìn)行計(jì)算：采用螺栓保證應(yīng)力SP計(jì)算螺栓直徑，據(jù)《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》（GB／T 3098.1—2010），8.8級(jí)螺栓保證應(yīng)力SP＝580 MPa，據(jù)螺栓強(qiáng)度計(jì)算公式可求出螺栓半徑RL＝［FL÷（SP÷π）］0.5＝［72424.1628÷（580÷3.14）］0.5≈6.3 mm （式中：RL—螺栓半徑，mm；FL—單個(gè)螺栓承受力矩，N／mm2；SP—螺栓保證應(yīng)力值，MPa），則螺栓直徑D＝2RL＝12.6mm。

據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可選用35CrMo材質(zhì)8.8級(jí)M14以上螺栓；據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選用更粗的螺栓可確保強(qiáng)度要求，填料壓蓋抱箍上可以做到M16，故設(shè)計(jì)時(shí)選用35CrMo材質(zhì)8.8級(jí)M16螺栓。

3.3 模擬驗(yàn)證

我們采用Solidwork軟件三維實(shí)體建模，對(duì)HV2101改造部件進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

3.3.1 填料壓蓋受力強(qiáng)度分析

據(jù)設(shè)計(jì)，壓板選用316材質(zhì)，壓板中心支撐，兩端使用螺栓對(duì)填料進(jìn)行壓緊，螺栓的作用力在壓板上，壓板最大承受力矩為72424.1628 N／mm2，通過Solidwork軟件三維實(shí)體建模運(yùn)算，壓板可承受屈服力為203.5MPa，閥門使用壓力14.12MPa僅約壓板可承受屈服力的1／14，壓板厚度選用38mm完全可滿足工況要求。

3.3.2 填料壓緊螺栓受力強(qiáng)度分析

據(jù)設(shè)計(jì)，螺栓采用8.8級(jí)35CrMo材質(zhì)，螺桿下端載入抱箍20mm為螺栓試驗(yàn)的固定端，以上部分為螺栓提拉部分，填料壓緊螺栓最大承受力矩為72424.1628N／mm2，通過Solidwork軟件三維實(shí)體建模運(yùn)算，螺桿可承受屈服力為634.3MPa，閥門使用壓力14.12MPa僅約螺桿可承受屈服力的1／45，螺栓選用M16完全可滿足工況要求。

3.3.3 承力抱箍受力強(qiáng)度分析

據(jù)設(shè)計(jì)，承力抱箍選用316材質(zhì)，承力抱箍對(duì)夾連接，兩端使用螺栓對(duì)填料進(jìn)行壓緊，螺栓的作用力在承力抱箍的兩端，承力抱箍?jī)啥俗畲蟪惺芰貫?2424.1628N／mm2，通過Solidwork軟件三維實(shí)體建模運(yùn)算，承力抱箍可承受屈服力為169.3MPa，閥門使用壓力14.12MPa僅約承力抱箍可承受屈服力的1／12，抱箍厚度選用45 mm完全可滿足工況要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

金新化工2018年提出對(duì)HV2101進(jìn)行改造，2019年年中落實(shí)本項(xiàng)技改——將螺紋式填料壓蓋改為活塞式填料壓蓋，并通過Solidwork軟件三維實(shí)體建模驗(yàn)證，螺栓選用M16、壓板厚度選用38mm、抱箍厚度選用45mm可滿足工況要求。

技改后，尿素合成塔出料調(diào)節(jié)閥（HV2101）經(jīng)歷了多次系統(tǒng)開停車，填料無泄漏跡象，閥門開關(guān)動(dòng)作靈活，系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定，有效解決了HV2101填料泄漏、壓蓋緊固卡澀、檢修拆卸困難等問題，縮短了檢修時(shí)間，延長(zhǎng)了HV2101的使用周期，保障了尿素裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。實(shí)踐表明，金新化工對(duì)HV2101填料腔體的改造是合理的且有成效的，可為類似工況下閥門的優(yōu)化改進(jìn)提供一些參考與借鑒。