尿素合成塔出料調節閥運行問題分析及改造

高志森

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021506）

0 引 言

呼倫貝爾金新化工有限公司（簡稱金新化工）800kt／a尿素裝置采用荷蘭Stamicarbon公司新一代改進型CO2汽提工藝，設計尿素產能為2860t／d。其中，尿素合成塔出料調節閥（HV2101）高3.5m、重3.6t，流向為流開，填料函材質為Safurex；HV2101設計壓力14.12 MPa、溫度185℃、流量518620kg／h，出料（尿液）密度972kg／m3。

尿素合成塔反應液通過出料調節閥（HV2101）調節進入CO2汽提塔上部，通過液體分布器呈膜狀沿汽提管內壁向下流動。HV2101工作是否穩定、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、低壓系統的穩定運行。HV2101自2011年投用以來，每年均需對其閥內件及密封填料進行維修及更換，因HV2101體型較為龐大，每次檢修均需要大量的人員進行配合，維修時間長、勞動強度大；生產中也曾因填料長時間泄漏造成閥桿卡死無法動作，尿素裝置物料中斷近40h，尿素裝置被迫停車處理，造成較大的經濟損失。

1 尿素合成塔出料調節閥運行問題及原因分析

尿素合成塔出料調節閥（HV2101）操作壓力非常高，調節尿素合成塔與CO2汽提塔液位時HV2101動作頻繁，據統計，2017—2018年兩年間因生產系統運行不穩定導致尿素裝置開停車高達36次（主要是上游系統出問題所致），尿素裝置經常短停或封塔，導致HV2101處工藝介質溫差較大，致使其閥桿填料處出現介質泄漏，且無法在線處理——泄漏量較小時，系統可監護運行，每班加強HV2101巡檢；泄漏量較大時，只能被迫停車處理，給生產帶來巨大的安全隱患，影響裝置的長周期穩定運行，增加人員的勞動強度。經分析與梳理，HV2101運行問題的主要原因如下。

1.1 工況苛刻而易發生故障

HV2101所處工況壓力高、溫度高，尿液腐蝕性較強，閥門動作頻繁，易造成填料損壞、閥桿及填料函相關部件損壞，經常出現介質外漏；同時，因尿液在低溫環境下易結晶，系統開停車過程中溫差較大，泄漏的尿液在填料腔體內結晶、膨脹，會導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的穩定運行。

1.2 填料函設計不合理

HV2101填料壓蓋采用螺紋緊固設計（螺紋式填料壓蓋），使用過程中由于填料損壞介質泄漏，尿液結晶體附著在螺紋縫隙內，導致在緊固填料時填料壓蓋螺紋與填料腔體螺紋咬死，緊固時所需扭矩較大，嚴重時導致螺紋損壞，無法拆卸。2014年、2017年均發生過此種問題，導致維修難度及勞動強度加大。

此外，HV2101填料壓蓋采用螺紋緊固的方式易將填料函內導向環及填料壓偏，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，易發生介質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

原設計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個月就會因老化而致閥桿和填料處介質泄漏；2017年改用60°V型改性增強PTFE填料，使用效果較好，但仍未達到預期效果。

2 改造方案

為保證尿素裝置的安、穩、長、滿、優運行，經過多年的數據收集，針對上述原因逐項進行分析，2018年提出對HV2101閥內件進行改造，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合型填料，考慮到閥門的結構和尺寸，最終采用抱箍式壓緊結構，具體如下。

2.1 填料腔體

（1）在原填料腔體的基礎上增加一個卡槽（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）考慮到調節閥執行機構的安裝位置，填料腔體高度及閥桿長度均增加10mm。

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

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、預緊碟簧。其中，填料壓緊螺栓選用35CrMo材質8.8級M16螺栓，抱箍選用316材質、厚度45mm，壓板選用316材質、厚度38mm。

（2）在填料壓緊螺栓上增加一對彈簧墊片，保證填料在介質壓力、溫度等變化時有一定的預緊力進行補償。

2.3 填料組件

（1）因填料腔體較長，為保證填料的密封性與閥桿的對中性，在填料腔體內增加導向軸套，保證閥桿在懸臂梁的狀態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，上層采用加強型四氟棒加工的V型填料。

2.4 閥內件材質的選擇

2.4.1 閥芯、閥桿材質的選擇

因此前已經采用UNSS31260材質制作過閥桿和閥芯且現場使用情況良好，未發現明顯的腐蝕，故本次技改仍然采購UNSS31260鋼材制作閥芯、閥桿。

2.4.2 填料腔體材質的選擇

廠家設計資料中填料腔體材質為Safurex。通過S32906與Safurex材料成分及硬度的對比（如表1）可知：S32906與Safurex成分相近，填料腔體材質可選用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，對其密封面進行表面退火處理，適當降低其表面硬度，由此可在填料腔體與閥體硬密封配合時起到保護閥體的作用。

表1 填料腔體材料分析數據對比

3 關鍵部件選用及理論驗證

3.1 填料壓蓋承受力的計算

尿素合成塔出料調節閥（HV2101）操作壓力較高，在更改填料壓蓋設計時須進行嚴格核算和審查，以保證改造效果。由HV2101設計數據可以計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計壓力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算

據設計方案，HV2101填料壓緊采用2根螺栓，考慮到填料壓緊過程中會出現單顆螺栓壓緊情況（即一顆螺栓受力的情況），故在計算填料壓緊螺栓承受力時選用填料壓蓋最大受力進行計算：采用螺栓保證應力SP計算螺栓直徑，據《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》（GB／T 3098.1—2010），8.8級螺栓保證應力SP＝580 MPa，據螺栓強度計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—單個螺栓承受力矩，N／mm2；SP—螺栓保證應力值，MPa），則螺栓直徑D＝2RL＝12.6mm。

據上述計算結果，可選用35CrMo材質8.8級M14以上螺栓；據實際經驗，選用更粗的螺栓可確保強度要求，填料壓蓋抱箍上可以做到M16，故設計時選用35CrMo材質8.8級M16螺栓。

3.3 模擬驗證

我們采用Solidwork軟件三維實體建模，對HV2101改造部件進行靜應力分析。

3.3.1 填料壓蓋受力強度分析

據設計，壓板選用316材質，壓板中心支撐，兩端使用螺栓對填料進行壓緊，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軟件三維實體建模運算，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度分析

據設計，螺栓采用8.8級35CrMo材質，螺桿下端載入抱箍20mm為螺栓試驗的固定端，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軟件三維實體建模運算，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 承力抱箍受力強度分析

據設計，承力抱箍選用316材質，承力抱箍對夾連接，兩端使用螺栓對填料進行壓緊，螺栓的作用力在承力抱箍的兩端，承力抱箍兩端最大承受力矩為72424.1628N／mm2，通過Solidwork軟件三維實體建模運算，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 結束語

金新化工2018年提出對HV2101進行改造，2019年年中落實本項技改——將螺紋式填料壓蓋改為活塞式填料壓蓋，并通過Solidwork軟件三維實體建模驗證，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，尿素合成塔出料調節閥（HV2101）經歷了多次系統開停車，填料無泄漏跡象，閥門開關動作靈活，系統調節穩定，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，縮短了檢修時間，延長了HV2101的使用周期，保障了尿素裝置的安、穩、長、滿、優運行。實踐表明，金新化工對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化改進提供一些參考與借鑒。