[摘要]在CO₂氣提法尿素裝置中，尿素高壓調(diào)節(jié)閥控制著高壓圈的關鍵閥位，并直接影響到整個裝置長周期穩(wěn)定運行，高壓調(diào)節(jié)閥的選材、選型、設計一直是設計單位、尿素廠設備管理方面無法回避的重要節(jié)點。我公司長期致力于尿素高壓調(diào)節(jié)閥設計、制造，現(xiàn)就該類閥門選型、設計談談自己的經(jīng)驗和體會。

[關鍵詞] CO₂氣提法尿素裝置 尿素高壓調(diào)節(jié)閥 選型 防結晶 高壓調(diào)節(jié)蝶閥

 

前言

目前我們國內(nèi)尿素生產(chǎn)裝置采用二氧化碳氣提法的企業(yè)越來越多，并且裝置規(guī)模越來越大，我公司從2002年開始參與該工藝的“尿素專用調(diào)節(jié)閥”-進口閥維修、替代進口閥之國產(chǎn)化設計、制造，至今我公司已為近30家用戶單位提供產(chǎn)品、服務，規(guī)模從單套裝置年產(chǎn)15萬噸/年到80萬噸/年，成套提供“尿素高壓調(diào)節(jié)閥”近200臺，替換進口閥80臺/次，從運行情況來看，均達到了用戶使用要求和取得了不錯的綜合效益。

在為用戶服務的近二十年時間里，我們積累了“CO₂汽提法尿素裝置高壓圈調(diào)節(jié)閥”選型設計、制造的寶貴經(jīng)驗和體會，現(xiàn)以二氧化碳汽提法尿素裝置中部分高壓調(diào)節(jié)閥為例，試對選型及設計中的重要問題加以分析說明。

1.1工藝參數(shù)及分析

介質(zhì)：尿液   溫度：173℃   閥前壓力：14.2MPa   閥后壓力：0.6MPa

口徑：2″ 3″ 4″

從參數(shù)可知，該閥的使用工況較為惡劣，有如下特點：

a. 介質(zhì)尿液具有極強的腐蝕性，并易結晶；

b. 閥前后壓差大，高達到13.6MPa；

由于壓差大，在閥座節(jié)流孔處介質(zhì)的流速高，特別是當開度較小時，流速更大。從而對閥體及內(nèi)件產(chǎn)生強沖刷。同時當閥后壓力降低到進口溫度下的飽和蒸汽壓力時，則產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

1.2 閥門的選型、選材要點

1.2.1防結晶設計

對于介質(zhì)易結晶的特點，閥門的結構設計應該力求避免在流道內(nèi)出現(xiàn)低溫易結晶區(qū)域。如果采用傳統(tǒng)的閥體、上閥蓋組合結構（圖一），則在上閥蓋內(nèi)形成低溫易結晶區(qū)域。傳統(tǒng)設計為避免介質(zhì)在低溫易結晶區(qū)域形成結晶，通常采取在上閥蓋外焊接一個保溫夾套的辦法來防止結晶。根據(jù)實際使用情況來看，此防結晶措施的效果不夠理想。

我公司采用閥體、閥蓋一體式結構設計（圖二），將閥體、閥蓋設計成一個整體，同時填料函下沉，這樣可以有效降低閥體整體高度，從而避免了低溫易結晶區(qū)域的形成。從實際使用情況來看，一體式結構即使沒有蒸汽保溫夾套，調(diào)節(jié)閥在運行時也沒有結晶現(xiàn)象，說明我們在防止結晶方面，采取的閥蓋、閥體一體式設計是成功的，有效而可靠的。

1.2.2防腐蝕、沖刷選材

通常一臺閥門的使用壽命取決于閥門節(jié)流件的使用壽命，因尿液的強腐蝕性和高流速產(chǎn)生的沖刷，使調(diào)節(jié)閥節(jié)流件的使用壽命小于閥體的使用壽命，如何提高調(diào)節(jié)閥節(jié)流件的使用壽命成為閥門設計制造企業(yè)的主要目標和永恒追求。

我公司CO₂汽提法尿素裝置高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流件（閥芯、閥座）材料采用U3（00Cr25Ni20Mn3Mo3N）。通過休氏試驗比較：U3的耐腐蝕性能遠優(yōu)于316Lmod。U3的硬度值達到HB200，也高于316Lmod(316Lmod的硬度值只有HB143左右)，所以U3鋼的耐腐、耐沖刷性優(yōu)于316Lmod。實踐中證實U3鋼對尿液和甲銨液具有良好的耐腐蝕性，且具有較好的綜合機械性能，因此閥內(nèi)件選用U3材料是目前的最好選擇。

1.2.3防氣蝕結構

根據(jù)氣蝕產(chǎn)生的機理，我們將閥座流道適當加長，把閥座的流道設計成兩段式（圖三），閥座節(jié)流處設計成等徑，等徑段的上游設計成有一定的錐度。錐度段較長，起到逐漸降壓的作用，從而促使壓差的重新分配，以此降低氣蝕對閥內(nèi)件的破壞作用，使閥內(nèi)件的使用壽命更長。

2.1工藝參數(shù)及分析

介質(zhì)：尿液  溫度：183℃   閥前壓力：14.2MPa   閥后壓力：13.98MPa 

口徑：14″ 10″ 8″

該閥工況條件有以下特點：

a. 介質(zhì)為尿液，強腐蝕

b. 口徑大，壓差小僅為0.04MPa

該工位閥門在合成塔與汽提塔之間調(diào)節(jié)液位，各設計院在這個閥位選型不一，有選用角閥、蝶閥兩個方案，該處閥門根據(jù)工藝要求一般選用比較大的口徑，作用在閥門的前后壓差比較小，要求流通能力大，流阻系數(shù)盡量小，從工況來看選用蝶閥比較適宜。

2.2閥門的設計要點

2.2.1對于高壓角式調(diào)節(jié)閥用在該處的設計已經(jīng)很成熟，我們在此不過多介紹，而大口徑高壓硬密封調(diào)節(jié)蝶閥國產(chǎn)化歷史不長，我們公司是該工位首臺尿素高壓蝶閥的設計制造企業(yè)，從2003年 “江蘇恒盛化工股份有限公司”成功投用以來，已經(jīng)積累了豐厚的設計、制造經(jīng)驗。

2.2.2 高壓蝶閥的結構主要由閥體、閥板、閥桿、執(zhí)行器組成。突出優(yōu)點是體積小、重量輕、安裝占用空間小。在開啟15°～70°之間，能進行流量調(diào)節(jié)控制，呈近似對數(shù)流量特性。

2.2.3 該位置對閥的調(diào)節(jié)性能要求較低，相對系統(tǒng)來 說保證安全性能的要求會更高一些。我們在測繪進口高壓蝶閥時，發(fā)現(xiàn)高壓蝶閥的閥板上加工有一V型缺口（圖四），目的是保證閥門在關閉時有最小流量，避免合成塔超壓。也有進口高壓蝶閥的閥板上沒有這一V型缺口的設計，但采用了中線平面密封，泄漏等級最多達到III級，不允許更高，否則因關閉太嚴而造成合成塔超壓，引起事故。所以此處高壓蝶閥泄漏等級要求達到IV級或更高是不科學的。

3  進CO₂汽提塔CO₂放空壓力調(diào)節(jié)閥

3.1工藝參數(shù)及分析

介質(zhì)：CO₂  溫度：120℃  閥前壓力：14.52MPa  閥后壓力：0.15MPa

口徑：2″ 3″ 4″

該閥工況條件特點：該閥壓差大，達到14.37MPa

此閥是CO₂壓縮機出來到汽提塔之間，介質(zhì)CO₂氣體經(jīng)過調(diào)節(jié)閥節(jié)流處時速度最高。速度越高，壓差越大，產(chǎn)生的噪聲就越大。故該閥的重點是減壓降噪。

3.2閥門的設計要點

3.2.1采用迷宮式的減壓降噪結構。

通常采用的迷宮式降噪結構一種為圓盤式（圖五），由多層圓盤疊加在一起，在每層圓盤上加工出彎曲的溝槽流道，CO₂氣體經(jīng)過這些彎曲流道時，能量消耗，分段減壓，增大壓力損失，達到減壓降噪的目的。此種結構的不足之處是，因彎曲的溝槽截面細小，介質(zhì)中的細小顆粒極易堵塞流道，而圓盤式結構流道清理的難度也較大。

另一種降噪結構是多層套筒式（圖六），每層套筒圓周分布許多節(jié)流小孔，每層套筒上的小孔都是相互隔開和錯開排列。CO₂介質(zhì)通過套筒時經(jīng)過套筒分段降壓，介質(zhì)流出第一層套筒后就相互撞擊，消耗能量使壓力和流速都得到了降低，從而降低了噪聲的產(chǎn)生。套筒式降噪結構，不易被細小顆粒堵塞，流道也更易清理、維護。

3.2.3 在CO₂放空壓力調(diào)節(jié)時，調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔有可能形成干冰、少量尿素結晶體堵塞閥腔。為避免此種現(xiàn)象，在閥體上加蒸汽夾套是不錯的設計。

 

 我公司在繼承原“四川化工機械廠”生產(chǎn)尿素高壓閥優(yōu)勢的基礎上，一直致力于針對 CO₂汽提法尿素裝置高壓圈調(diào)節(jié)閥國產(chǎn)化的探索、創(chuàng)新，尋找該類裝置更優(yōu)的設計、制造及配置，并且在該套閥的設計制造實踐中取得了兩項專利，形成了獨具特色的選型、設計思路。作為CO₂汽提法尿素裝置關鍵閥門-尿素高壓閥的合格制造商，“成都斯杰”品牌閥門已成功在國內(nèi)近三十套尿素裝置上長周期安全運行，完全滿足CO₂汽提法尿素裝置高壓圈的苛刻工況條件和相關要求。我公司尿素高壓調(diào)節(jié)閥系列產(chǎn)品多個關鍵點的設計、制造已超越進口同類閥門，完全具備大型尿素裝置高壓圈高壓調(diào)節(jié)閥的設計、制造能力。