加氢装置高压角阀应用探讨

陈缃雯

（中石化上海工程有限公司，上海200120）

随着中国燃油汽车产业的飞速发展以及国内环保标准的日益提高，加氢装置也在近二十年来得到高速发展。在加氢工艺中加氢精制环节的几个关键位置，都使用了高压角阀。高压角阀的性能和寿命，对整个装置的安全生产周期和效益至关重要。

1 高压角阀的工况特性

由于加氢装置的工艺特性以及工艺介质的特殊性，高压角阀的操作工况温度可达到425℃，压力可达到24.5 MPa。加氢装置的工艺流程和高压角阀的位置如图1所示。

1.1 高压分离器排放阀

该阀门的使用压力为10.0～24.5 MPa，温度为200～455℃。由于所使用的位置要求压降高，容易产生闪蒸、气蚀、出口空化，同时物料介质既有气液两相的碳氢化合物和氢气，也有固体催化剂颗粒，还有H2S和NH3等腐蚀性介质。

1.2 低压低温分离器阀

该阀门的使用压力为6.0～10.5 MPa，温度为90～260℃。所使用的位置也同样要求高压降，容易产生闪蒸、气蚀、出口空化，同时物料介质也是气液两相的碳氢化合物、氢气，固体催化剂颗粒，还有H2S和NH3等腐蚀性介质。

图1 加氢装置工艺流程和角阀的位置示意

1.3 酸水排放阀

该阀门的使用压力为6.5～24.5 MPa，温度为60～450℃。所使用的位置要求压降高，容易产生闪蒸、气蚀、出口空化，物料介质含有H2S和NH3，特别是固体颗粒冲刷更严重。

2 高压角阀总体情况

目前为止，很多加氢装置采用了国外专利，同时受制于之前国内阀门行业制造水平和研发水平的限制，国内加氢装置中的高压角阀主要还需随工艺包进口成套引进，后期新建装置也使用了进口阀门。早期进口的高压角阀结构设计相对落后，使得整个生命周期中故障率一直较高，近几年在高压阀门更新升级的情况下，故障率虽然在逐步降低，但通常情况下，进口高压角阀在中国境内工厂中的应用过程中很多备件还是依赖进口为主，故维修周期通常较长，同时购买或维修的费用较高。随着国内优秀的高压角阀制造商研发和制造水平的不断提高，通过国产化攻关、维修替代和公开竞争，获得了越来越多的市场份额，从技术角度上判断，国产高压角阀在加氢装置上已经可以替代进口高压角阀。但实际国内自主研发的产品能够量产的不多，技术专利上的关键性突破也很少，所以还有很多的基础工作需要各方面共同努力，当然同时也说明国产高压角阀有很大的发展空间。

3 高压角阀设计和使用的常见问题

由于加氢装置工艺物料含有颗粒物以及H2S和NH3等腐蚀介质，具有高压高温的特性，故对高压角阀的设计要求较高。结合项目设计过程中碰到的问题以及加氢装置用户使用的经验，在设计和阀门实际使用过程中经常会遇到以下一些问题：

1)由于压降要求高以及工况要求复杂，因而阀门容易产生开度过低，动作抖动剧烈的问题。

2)由于介质含有固体颗粒和腐蚀性物料，阀芯和阀杆容易脱离，阀芯容易产生冲刷和腐蚀损耗而引起内漏，造成停车检修。

3)高压差工况，容易产生介质闪蒸、气蚀、出口空化，阀杆容易弯曲变形。

4)阀杆填料容易泄漏。

4 高压角阀的选型

高压角阀是加氢装置几个关键设备之一，其性能和使用寿命的好坏，直接影响到整个装置的安全性和效率。因此，在高压角阀的选型时，需要对阀门材料选择，阀门结构型式、内件型式设计以及装置工艺设计等多方面进行综合考虑。

4.1 阀门材料的选择

由于压力等级高、介质温度高，同时工艺介质中含有H2S等腐蚀性物料，因而阀体必须选择符合NACE标准的材料。为满足NACE要求，所有碳钢含碳的最大质量分数应小于0.22%，最大硬度不超过HRC22；不锈钢最大硬度不应超过HRC22；17-4PH材料经过H1150D处理后可以使用，最大硬度不超过 HRC33即可；Inconel 718材料在最大硬度不超过HRC35的情况下可以放心使用；Stellite合金均可使用。

阀座宜考虑堆焊硬化处理，例如堆焊Stellite 12号合金，硬度可以达到 HRC48，既能满足NACE要求，又可以更好地抵抗高压及高压差介质以及固体颗粒的冲刷磨蚀。

阀内件需选择高硬度的材料以抵抗固体颗粒的磨蚀，可以选择SST w/alloy 6，Inconel 718等材料，特殊工况也可以选用碳化钨材料的阀门内件。在阀芯密封面也应该考虑堆焊强化处理。

所有以上阀体、阀内件都需要有完善的无损检测（NDE）方案，射线照相检查（RT）在必要的工段必须进行。

阀体和阀内件材料的正确选择，能够有效抵抗固体颗粒冲刷和腐蚀性物料的侵蚀，在一定程度上保证阀门有效的生命周期。

4.2 阀门结构型式和内件型式的设计

1)多级降压。由于高压差工况的要求，目前主流的高压角阀制造商，都采用多级降压的阀芯设计。多级降压阀芯形式如图2所示，通过合理的多级降压设计，能够有效避免每一级降压的压差过大，使液体的压力始终维持在饱和蒸气压之上，避免闪蒸、气蚀、出口空化，从而减少了介质对阀芯阀座的冲刷破坏，同时也降低了噪音。根据现场使用经验，如果没有采用多级降压、降压级数不够或者阀芯的降压设计不合理，阀门使用一段时间之后，会出现阀门内漏问题。

2)防止固体颗粒堵塞。由于介质含有催化剂固体颗粒，在考虑多级降压的情况下，也需要防止固体颗粒堵塞阀芯。特别是在大口径的高压角阀设计中，由于压差大需考虑平衡式阀芯以避免执行机构选择过大，平衡孔的防堵塞设计更需要着重考虑。同时，还应该考虑在线维修的方便，在产生堵塞情况下，可以有效地及时处理。多级降压并防堵塞阀芯形式如图3所示。

图2 多级降压阀芯形式示意

图3 多级降压并防堵塞阀芯形式示意

3)避免阀门开度过低。由于压降要求高，工况复杂，高压角阀在实际使用中会遇到某些工况下阀门开度过低，造成调节性能差、阀门动作不稳定、抖动严重，极容易对阀门产生损伤，也不利于装置的稳定操作。所以在阀门选型时，应该选择可调比大、在小开度情况下有特殊设计的高压角阀，同时阀芯尽可能选择全行程导向，并使用加强型阀杆，保证阀门控制的稳定性。防气蚀的平衡型阀芯结构示意如图4所示。

4)阀杆填料防泄漏。由于物料的性质，需要选用符合德国洁净空气标准（TA-LUFT）或ISO 15848 Industrial Valves—Measurement，test and Qualif ication Procedures for Fugitive Emissions的填料密封结构。例如可以考虑填料密封采用动态密封结构，利于动态碟簧行程限位确保动态密封的可靠性；同时，填料材质需要选择能够耐高温高压的特定材料，确保填料在高温高压下仍能保持良好的密封性能。同时阀杆也必须选择满足NACE要求的材料，避免阀杆腐蚀引起填料处泄漏。

图4 防气蚀的平衡型阀芯结构示意

5)阀杆和阀芯连接。由于物料的冲刷强度大，同时具有腐蚀性，因而阀杆和阀芯需要考虑防脱落防抖动设计结构。在阀芯较小的情况下，阀芯阀杆考虑采用一体式结构，避免由于振动而脱落；在阀芯较大的情况下，阀芯阀杆考虑牢固连接的结构，例如采用螺纹连接配合销钉固定的连接形式，可以将销钉设计为盲销，基本避免了脱落的可能。

6)V级关断密封。在加氢装置高压角阀需达到V级关断密封要求，并且需要长期保持，不能有内漏。对于该恶劣的工况，阀座必须选择有特殊设计的保护性阀座，以延长阀门的使用寿命和维护周期。

4.3 装置工艺设计方面的考虑

在加氢装置中高压角阀对安全以及稳定运行有重要影响，因而工艺设计上对于每个工位的阀门应该考虑冗余设计。虽然冗余设计会对项目的投资带来一定影响，但是从整个装置全生命周期稳定运行和安全方面考虑是完全值得的。

4.4 售后服务和维护支持

高压角阀的重要性，使得产品的售后服务和维护成为保障装置持续稳定运行和缩短停车检修时间的重要因素之一。所以在选型时，应该避免选择在国内没有维修工厂的高压角阀，同时对于能够提供及时响应以及具有长期备件库存的高压角阀，应重点考虑。

5 结束语

如何选择合适的高压角阀，如何维护好高压角阀，是加氢装置仪表设计和仪表管理人员关注的首要因素。通过对高压角阀合理的设计、选型、使用，能够有效提高高压角阀的生命周期，从而为整个加氢装置的稳定运行提供必要的条件。