高温烟气三通阀在硫酸装置中的应用

荀中正 刘 晟

（湖南百利工程科技股份有限公司）

阀门是工业管线上流体控制的一个重要附件， 面对着工业系统各种复杂和繁多的工况，所以保证阀门工作的可靠性就变得尤为重要。 随着现代科学技术的发展，工程项目对高温阀门的需求越来越多，但由于高温的长时间作用会对阀体金属材料的物理性能、机械性能等方面产生影响［1］，所以笔者通过硫酸装置中高温烟气三通阀的选用，为高温阀门的设计和选材提供一种可行性参考。

1 项目背景及流程

某企业的己内酰胺事业部硫酸硫磺制酸装置的高温烟气三通阀TV-3006， 原来是为了将硫化氢制酸装置生产的SO2烟气送往硫磺制酸装置转化工段前，由80℃提升至420℃，而后在硫磺装置焚硫炉F-201 尾部开孔接管， 通过高温烟气三通阀TV-3006 将部分950℃高温气体与上述气体混合，达到控温的目的。

在硫化氢装置独立制酸后， 三通阀TV-3006基本处于停用状态，同时由于原三通阀采用的是水平安装方式，受安装方式、焚硫炉F-201 高温炉气等多因素的影响，三通阀TV-3006 阀杆变形严重，并且逐渐无法完全关闭，微漏的高温炉气造成三通阀TV-3006 本体腐蚀， 经常出现烟气泄漏，严重时装置需停车处理；而相连管线的设计温度不超过500℃， 经三通阀TV-3006 漏入的高温炉气已导致该管线变形， 存在严重的安全隐患。 高温烟气三通阀的工艺管道及仪表流程如图1 所示。

图1 高温烟气三通阀的工艺管道及仪表流程

2 高温烟气三通阀选型要点

目前，对高温阀门高温等级划分尚无统一标准，乐精华根据十几年的工作经验将高温阀门分为5 个等级， 即阀门工作温度为425～550℃的为PⅠ级，550～650℃为PⅡ级，650～730℃为PⅢ级，730～816℃为PⅣ级，大于816℃为PⅤ级［2］。

本项目中，高温烟气三通阀高温侧烟气温度高达950～1 200℃，低温侧烟气温度为80℃，混合气出口温度在400～450℃， 所以需要考虑多种温度工况对阀门的影响。

2.1 阀门本体材料选择

在高温阀门的设计过程中， 为保证阀门能够承受高温，并且物理性能、结构组织等不发生变化，设计人员需要特别注意阀门的选材。 其中PⅠ～PⅣ级阀门主要靠选择合适的材料以保证其性能。 阀门常见使用材料有优质碳素钢、低合金高强度结构钢、不锈钢和以铁、镍、钴为基的耐高温合金钢；PⅤ级阀门除选择材料外， 还需要考虑特殊的设计手段，如采用隔热衬里或冷却措施等。

本项目中的阀门涉及多种温度环境，特别是高温侧温度已超过900℃， 普通选材已经很难满足高温工况的要求，所以阀门和管道采用衬里结构，通过高温衬里材料将高温烟气隔离。 阀门阀体材料采用了与工艺管线材料一致的低合金、高强度结构钢Q345C， 要求阀体壁厚设计不小于16mm， 既能满足阀门在实际过程中承受最大压力值的要求，也能保证阀门与工艺管道焊接以后热膨胀、热交变的一致性，尽可能减小对高温衬里材料的影响。

2.2 阀门内件材料选择

阀门内件材料直接与高温介质接触，高温环境下使用材料要有足够的高温强度、耐高温氧化和腐蚀性能，同时设计人员还需要考虑材料的膨胀性质、运动部件的擦伤概率等。

高温环境下工程上常用的合金有铁基合金、镍基合金及钴基合金等。 铁基合金价格便宜，但是由于体心立方晶体结构的高温强度较差，使用温度较低；镍基合金为奥氏体结构，耐温性能好，价格适中；钴基合金性能最好，但价格较贵。 常用材料最高许用温度见表1［2］，需要特别说明的是，在实际阀门设计中还要考虑介质腐蚀性、应力水平等因素，当合金承受较大工作应力时，其最高许用温度一般还应降低50～100℃。

表1 常用材料最高许用温度 ℃

本项目中原高温烟气三通阀阀杆和阀座材料均采用S31008，阀门内部采用耐火砖堆砌，阀门采用板式阀芯，调节性能较差，且阀座长时间高温使用极易变形，阀芯、阀座与内衬膨胀性不一致，密封性能差，存在较大安全隐患。 本次改造通过多方调研和查阅资料，阀芯和阀座材料调整为Co50，Co50耐温可达到1 300℃，比Cr25Ni20 具有更强的抗氧化性和耐磨性， 特别是在氧化硫环境中具有较高的抗腐蚀性能，同时Co50 在1 050～1 300℃的高温下， 钴合金比铬镍耐热合金具有更高的蠕变强度和极限强度［3］，其高温烧损要小得多。 Co50 材料化学成分及其机械性能见表2、3。

表2 Co50 材料化学成分 %

表3 Co50 材料机械性能

2.3 阀门密封填料选择

阀门填料是动密封的填充材料，用于填充函空间以防止流体从阀杆与填料函之间泄漏。 填料的材料可分为编织填料、 弹性体和工程塑料、机械加工材料等。 焚硫炉F-201 高温炉气底部高温烟气温度达900℃以上， 普通弹性体和工程塑料填料难以满足要求。 为此，笔者总结了几种阀门常用高温密封填料及其特点［4］，详见表4。

表4 阀门常用高温密封填料及其特点

本项目中高温烟气三通阀填料采用石墨与陶瓷纤维组合方式， 底部高温段采用陶瓷纤维，低温段填充柔性石墨， 并配有专门冷却密封装置，采用低温氮气进行吹扫，氮气可以防止高温氧化，同时降低填料处的温度。

2.4 高温衬里材料选择

高温衬里材料的选择需要考虑以下因素：最高使用温度、长期使用温度、耐火度、体积密度、耐压强度、耐折强度、线变化率、热膨胀系数及蠕变极限等。 高温衬里一般采用高温耐火砖堆砌，有时也采用浇筑材料，常见的浇筑材料有莫来石PN-AM52、PN-AM62、高铝水泥525 号及濮耐PN-140 等，各个厂家牌号虽不相同，但大多数主要成分为Al2O3。 常用高温浇筑材料的耐火度见表5，本项目中阀门内衬材料采用濮耐PN-140。

表5 常用高温浇筑材料耐火度 ℃

2.5 阀杆防脱落及吹出设计

高温烟气三通阀阀杆材料采用S31008，阀杆末端接触到高温烟气，在应力作用下极易变形或者脱落，所以阀杆采用底穿式结构，底部再做焊接处理，防止阀芯脱落。 阀杆外部带限位装置和阀杆防吹出设计。

2.6 阀门定位器选择

智能阀门定位器采用智能处理器，仪表气全电气实现，相比常规定位器，其优点如下：

a. 智能阀门定位器机械可动部件少，输入信号、反馈信号的比较是数字比较，不易受环境影响，工作稳定性好，不存在机械误差造成的死区影响，因此定位精度和可靠性高；

b. 智能阀门定位器一般都包含有常用的直线、对数和快开特性功能模块，可以通过按钮或上位机、手持式数据设定器直接设定，因此流量特性修改方便；

c. 零点调整与量程调整互不影响，因此调整过程简单快捷，许多智能阀门定位器不但可以自动进行零点与量程的调整，而且能自动识别所配装的执行器规格，如气室容积、作用形式等，自动进行调整，从而使调节阀处于最佳工作状态；

d. 具有自诊断功能；

e. 智能阀门定位器能输出与调节阀实际动作相对应的反馈信号，可用于远距离监控调节阀的工作状态。

本项目中高温烟气三通阀采用智能阀门定位器，但是需要注意的是，因为阀门公称直径比较大，阀门、阀内件重量超过1t，进行自整定时设置整定时间不宜太短，否则容易造成阀内件磨损或者损害，可手动整定或者设置特殊整定曲线［5］。同时阀门全行程时间要求30s 左右， 若全行程时间太短会增加阀门本身成本和阀内件损伤的可能性。

3 高温烟气三通阀结构

本项目中高温烟气三通阀（图2）为合流型三通调节阀，阀座采用弧形面板，阀座Co50 金属圈通过金属拉杆嵌在特殊高温内衬中，使之更耐阀芯冲击，阀腔全部采用特殊的高温内衬，极限温度可达1 800℃，阀杆采用整体加工直型阀杆，末端底穿式螺纹加焊接方式可以更好地防止阀芯高温脱落。

图2 高温烟气三通阀结构

4 高温烟气三通阀安装要点

高温烟气三通阀口径低温侧与混合气出口的公称直径为1 400mm，高温烟气入口公称直径1 900mm， 阀门整体高度5～6m，Co50 材料的阀芯、阀座重1t 左右，因此阀门安装必须保证垂直，否则在高温烟气环境下， 阀杆极易变形甚至断裂，产生泄漏，影响生产安全。

根据工程设计要求，管道中低温水平管线设置两层内衬：一层为耐火砖，另一层为保温砖；高温烟气入口管道设置3 层内衬，包括两层耐火砖和一层保温砖，各层保温砖和耐火砖之间用胶泥填实固定， 最靠近管道内壁设置厚度为3mm 的石棉板。 阀门与管道衬里不允许分段施工，必须配管全部完成后才能进行管道内衬耐火砖施工，管道耐火砖内衬施工完毕后必须预留足够的自然通风养护时间，投运时逐步升温直至正常后方可投用。

5 结束语

在现代生产过程中，工程项目对高温阀门的需求越来越多，同时对于高温阀门的技术要求也越来越高，为了延长高温阀门的使用寿命，使高温阀门在实际工作中能够充分发挥其密封和调节作用，必须对高温阀门进行合理选型、合理选材， 同时必须正确选择安装方式并进行现场维护。 笔者通过实际的工程应用，切实解决了原装置高温烟气三通阀在使用过程中存在的阀门泄漏、阀杆变形等问题，改造后装置目前运行状况良好，同时也为高温阀门设计和选材提供了一种可行性参考。