半水-二水法磷酸装置中控制阀的选型

黄凯

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

半水-二水法磷酸装置中控制阀的选型

黄凯

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

简述了半水-二水法磷酸的工艺及腐蚀特点，半水-二水法相比二水法在局部工况，尤其是在半水反应、半水过滤部分，料浆中P2O5的质量分数和温度较高，对阀门的磨损和腐蚀强度更大，对控制阀的选型提出了更高的要求。重点研究了各腐蚀性介质中隔膜控制阀和旋塞阀的材质选择，并结合控制阀在两个工程中的实际应用情况，给出了半水-二水法磷酸装置中各腐蚀性介质的控制阀选型意见。

半水-二水法 磷酸控制阀 旋塞阀

常见的磷酸制备方法有半水法、二水法、半水-二水法等，目前中国大部分磷酸装置为二水法磷酸装置。尽管半水-二水法采用二次结晶技术相比二水法具有能耗低、磷的回收率高、磷石膏品质好的优点，但因缺乏经验长期得不到广泛运用。随着国家对节能减排及环保要求越来越高，国内二水法磷酸装置生产的磷酸由于含杂质多、处理成本高、蒸汽消耗量大等弊端凸显，与此同时，国内外一些半水-二水法装置通过长期摸索和改进，都已实现了装置的大型化并且稳定运行[1-2]。工业和信息化部《产业关键性技术发展指南(2015年)》中确定优先发展的化工类技术就有“采用半水-二水法工艺对现行二水湿法磷酸工艺改造”项目，并明确指出半水-二水法磷酸生产工艺是湿法磷酸转型升级的方向[3]。

控制阀对于磷酸装置的过程控制及稳定运行起着至关重要的作用，因半水-二水法的工艺特性，相比二水法对设备材料有着更高的要求，尽管对半水-二水法磷酸装置中关键设备和泵的选材已有相关文献报道[1-2,4-6]，但尚缺少对于控制阀选型的应用总结。结合印度尼西亚某2套大型半水-二水法磷酸装置中控制阀的使用情况，笔者给出了各腐蚀性介质的控制阀选型建议。

1 半水-二水法工艺特点及腐蚀原因

1.1半水-二水法工艺特点

半水-二水法磷酸工艺主要包括： 半水反应、半水过滤、二水转化、二水过滤、氟回收、浓缩等主要工序[1]。工艺流程简图如图1所示。

磷矿与浓硫酸经过双重反应结晶并分别过滤，半水料浆经半水过滤机过滤后的稀酸再浓缩得到成品酸，二水料浆经二水过滤机过滤得到磷石膏，半水反应和浓缩阶段闪蒸真空气体中的氟化物通过氟回收工序得到氟硅酸。该工艺半水反应过程中，料浆中P2O5的质量分数为40%，料浆温度为95℃，而二水法中P2O5的质量分数为30%，料浆温度为80℃。因此，半水-二水法相比二水法在局部工况，尤其是在半水反应、半水过滤部分，料浆中P2O5的质量分数和温度较高，对阀门的磨损和腐蚀强度更大，这对控制阀的选型提出了更高的要求。

图1 半水-二水法磷酸工艺流程示意

1.2腐蚀原因

磷酸本身的腐蚀性并不强，但酸中所含的硫酸、氢氟酸、氟硅酸和氯化物等杂质，使其具有了较强的腐蚀性。为了使磷矿完全分解需加入过量的硫酸，过量的硫酸会增加磷酸的酸度，降低溶液的pH值，使不锈钢表面钝化难度加大；氟离子半径较小，可以与许多金属离子形成络合物从而减慢不锈钢表面的钝化速度；氯离子能吸附在金属表面阻碍金属表面钝化膜的生成，使金属表面形成点蚀，在硫酸、氟、氯的共同作用下就增强了介质对不锈钢材料的腐蚀。同时，浆料中的硫酸钙结晶等固体粒子对金属表面的冲刷也会加速腐蚀[7]。因此，在控制阀的选型过程中，应同时关注所选材料的抗腐蚀性和耐磨能力。

2 半水-二水法工艺控制阀选型

2.1控制阀类型

对于半水-二水法磷酸工艺中的非腐蚀性介质，如空气、蒸汽、工艺水、冷凝液等，在控制阀的选型上与其他化工装置类似，一般优先选用球形阀，阀门材质可根据管道材质选材，本文不再赘述。本文主要讨论半水-二水法磷酸工艺中腐蚀性介质，即不同工段的磷酸料浆、浓硫酸、氟硅酸和各种酸水中的控制阀选型。

根据SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》[8]10.1.2.4条规定：“隔膜控制阀宜用于强腐蚀性、高黏度、含悬浮颗粒和纤维的介质及在流量特性要求不严等场合，但不宜用于工作温度高于150℃、工作压力高于1MPa的场合；旋塞阀宜用于高黏度、浆料及强腐蚀性介质的场合”。磷酸工艺中腐蚀性介质具有温度和压力都不高、强腐蚀性和含固体颗粒的特征，这与隔膜阀和旋塞阀的适用场合相符。

而且隔膜阀和旋塞阀的结构形式比普通阀门更简单，具有质量轻、易于拆卸和维护的优点。

1) 隔膜阀。采用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯组件，利用阀杆带动隔膜上下移动来实现调节作用。

2) 旋塞阀。通过旋转带通孔的塞体，调节与阀体通道口的夹角实现调节目的。

这2种阀门均具有流体阻力小、流通能力强的特点，因而非常适用于磷酸工艺。另外，隔膜阀阀座主要有堰式和直通式结构，因堰式结构比直通式具有更长的密封面，能更好地实现开关和调节性能，所以隔膜控制阀较多采用堰式结构。

2.2隔膜阀选材

隔膜阀阀体衬里材质有橡胶、玻璃和塑料3种类型。

1) 玻璃不耐氢氟酸腐蚀，因而不能使用。

2) 橡胶衬里的耐磨损性能要比塑料强，但耐腐蚀性要差一些；橡胶衬里中的氯丁橡胶(Neoprene)和丁基橡胶(Butyl)的使用温度都可达到-10～105 ℃，能耐磷酸和氟硅酸的腐蚀，但不能用于浓硫酸介质；对于磷酸装置中的磷酸料浆、氟硅酸和酸水介质可以选用。相应的隔膜材质可选用丁基橡胶(Butyl)和海帕伦(Hypalon)。

3) 塑料衬里中的全氟代烷氧基(PFA)、乙烯四氟乙烯(ETFE)和聚偏氟乙烯(PVDF)都具有极好的化学稳定性，适用于磷酸装置的所有腐蚀性介质。相应的隔膜材质可选用ETFE类塑料。

2.3旋塞阀选材

磷酸装置中旋塞阀常用的不锈钢和合金材料有316L，904L，CD4MCu，Alloy 20和Hastelloy C-276，各自对应的化学成分见表1所列。

不锈钢的耐腐蚀性能主要取决于合金元素的质量分数，研究表明Cr和Mo是提高不锈钢耐磷酸腐蚀的主要合金元素[9]。Cr可提高不锈钢的钝化倾向，当不锈钢中Cr质量分数在17%以上时能自钝化。Mo具有很强的钝化能力，能促进不锈钢钝化，使其表面生成复杂稳定的氧化膜，这种氧化膜能有效地抑制磷酸腐蚀性介质中氯离子引起的点蚀。Ni的主要作用是改善不锈钢的力学性能和成型、焊接等工艺性能，对耐腐蚀性能影响不大，并且Ni是影响不锈钢成本和价格的主要因素。综合考虑旋塞阀的抗腐蚀能力和经济性，应优先选用高Cr低Ni合金材料[10-11]。另外，当磷矿中氯离子质量浓度较高时还应综合考虑选用Mo含量更高的合金材料[4]。

表1 磷酸装置旋塞阀常用材料的化学成分 %

普通奥氏体不锈钢316L的耐腐蚀能力在磷酸装置中属于中下水平，且耐磨性较差，只能在氯离子质量浓度小于300mg/L的磷酸料浆中具有较好的耐腐蚀性。高合金奥氏体不锈钢904L的耐腐蚀性能高于316L，可用于氯离子质量浓度小于1000mg/L的磷酸料浆，耐磨性能一般，不适用于磨损严重的场合[10]。双相不锈钢CD4MCu的耐腐蚀性能优于904L，且硬度很高具有良好的耐磨性，并且价格低于904L。

在半水-二水法磷酸中，因在半水反应、半水过滤、二水转化、二水过滤阶段磷酸料浆的含固量较大，应优先选用耐磨能力好且价格相对经济的CD4MCu材质的旋塞阀。对于氟回收工序的氟硅酸介质，正常工况下为液态，介质中基本无含固量，也可选用CD4MCu材质的旋塞阀。浓缩阶段磷酸中含固量少，若氯离子质量浓度较高时应优先采用Mo含量相对较高的904L材质的旋塞阀。对于各种含酸量很少的酸水介质，考虑节省投资可以采用316L材质的旋塞阀。对于浓硫酸介质，Alloy 20和Hastelloy C-276都具有很好的耐腐蚀性，为节约成本，一般选用Alloy 20材质的旋塞阀或阀体采用Alloy 20材质，阀芯采用Hastelloy C-276材质的旋塞阀。

3 工程应用情况

中国五环工程有限公司在国外总承包建设了2套大型半水-二水法磷酸装置A和B。装置B中控制阀较多采用隔膜阀，在项目质保期内出现了较多损坏情况，现将部分损坏控制阀与装置A中相同位号控制阀的选型进行对比，见表2所列。

表2 装置B中损坏控制阀与装置A中对应阀门的选型对比

表2中装置B中的6台阀门均为堰式隔膜阀，质保期内均出现了多次阀体衬里层的堰体部位被磨破而造成阀体腐蚀穿孔的情况。在装置A中均为金属阀门，对于磷酸介质采用的是CD4MCu材质旋塞阀，酸水介质采用的是316材质Globe阀，项目质保期内使用情况良好。

从表2可以看出，损坏的隔膜阀集中在半水反应、半水过滤、二水过滤阶段，与上文提到的在这些阶段磷酸料浆含固量较大对设备磨蚀严重的情况相符。浓缩部分虽然磷酸含固少，但有温度压力较高的工况，在介质流速很快时，也易造成隔膜阀堰体部位磨损。而且因半水-二水法工艺磷酸料浆含固量大，部分设备和管道一般在连续开车一周后就需要停车进行清洗，在频繁的开停车过程中控制阀长期处在小开度运行状态，这也加重了料浆对隔膜阀堰体部位的磨损。当隔膜阀衬里损坏时，阀体会被迅速腐蚀穿孔而造成磷酸泄漏，对装置的正常平稳运行影响很大。

结合2套装置中控制阀的使用情况，笔者认为对于半水-二水法磷酸装置中的含固腐蚀性介质，为提高阀门运行的可靠性，应优先选用金属阀门，推荐采用CD4MCu材质旋塞阀。

4 结束语

半水-二水法的磷酸料浆比传统二水法具有更强的腐蚀性和更高的含固量，在控制阀选型时，除了需关注所选材料的抗腐蚀性外，还应重点关注材料的耐磨能力。各腐蚀性介质的控制阀选型建议如下：

1) 对于各工艺阶段的磷酸料浆，应优先选用CD4MCu材质旋塞阀，但当磷酸料浆中氯离子质量浓度较高时旋塞阀材质应考虑选用Mo含量更高的合金材料，不宜采用隔膜阀。

2) 对于酸水介质也应优先选用CD4MCu材质旋塞阀，为降低成本也可采用316L材质旋塞阀。

3) 氟硅酸管线可选用CD4MCu材质旋塞阀，也可采用隔膜阀。

4) 浓硫酸管线推荐采用Alloy 20材质旋塞阀。

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[2] 李志刚,严龙,邹文敏.大型半水-二水法磷酸装置开发与运行回顾[J].硫磷设计与粉体工程,2015(02)： 20-23.

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TypeSelectionofControlValveinHemi-dihydrateProcessofPhosphoricAcidPlant

Huang Kai

(Wuhuan Engineering Co. Ltd., Wuhan, 430223, China)

The process and the corrosion features for hemi-dihydrate (HDH) PA are introduced briefly. Due to higher mass fraction of P2O5and higher temperature in Hemihydrate reaction and filtration section of HDH process, valves bear worse abrasion and corrosion compared with dihydrate process, which brings higher requirements for control valve type selection. The material selection for diaphragm valve and plug valve in various corrosive mediums is emphatically studied. Combining with practical application in the two HDH projects, suggestions of type selection of regulating valve applied to all corrosive mediums are provided for HDH PA installation.

hemi-dihydrate (HDH) process； phosphoric acid regulating valve； plug valve

TH138.52

B

1007-7324(2017)05-0056-04

稿件收到日期： 2017-05-26，修改稿收到日期2017-07-28。

黄凯(1986—)，男，湖北仙桃人，2011年毕业于中南大学控制科学与工程专业，获硕士学位，现就职于中国五环工程有限公司，主要从事石油化工工程自控设计工作，任工程师。