尿素合成塔出料调节阀运行问题分析及改造

高志森

（呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021506）

0 引 言

呼伦贝尔金新化工有限公司（简称金新化工）800kt／a尿素装置采用荷兰Stamicarbon公司新一代改进型CO2汽提工艺，设计尿素产能为2860t／d。其中，尿素合成塔出料调节阀（HV2101）高3.5m、重3.6t，流向为流开，填料函材质为Safurex；HV2101设计压力14.12 MPa、温度185℃、流量518620kg／h，出料（尿液）密度972kg／m3。

尿素合成塔反应液通过出料调节阀（HV2101）调节进入CO2汽提塔上部，通过液体分布器呈膜状沿汽提管内壁向下流动。HV2101工作是否稳定、精确，不仅影响到尿素合成塔的液位控制，而且还影响到下游CO2汽提塔的液位、低压系统的稳定运行。HV2101自2011年投用以来，每年均需对其阀内件及密封填料进行维修及更换，因HV2101体型较为庞大，每次检修均需要大量的人员进行配合，维修时间长、劳动强度大；生产中也曾因填料长时间泄漏造成阀杆卡死无法动作，尿素装置物料中断近40h，尿素装置被迫停车处理，造成较大的经济损失。

1 尿素合成塔出料调节阀运行问题及原因分析

尿素合成塔出料调节阀（HV2101）操作压力非常高，调节尿素合成塔与CO2汽提塔液位时HV2101动作频繁，据统计，2017—2018年两年间因生产系统运行不稳定导致尿素装置开停车高达36次（主要是上游系统出问题所致），尿素装置经常短停或封塔，导致HV2101处工艺介质温差较大，致使其阀杆填料处出现介质泄漏，且无法在线处理——泄漏量较小时，系统可监护运行，每班加强HV2101巡检；泄漏量较大时，只能被迫停车处理，给生产带来巨大的安全隐患，影响装置的长周期稳定运行，增加人员的劳动强度。经分析与梳理，HV2101运行问题的主要原因如下。

1.1 工况苛刻而易发生故障

HV2101所处工况压力高、温度高，尿液腐蚀性较强，阀门动作频繁，易造成填料损坏、阀杆及填料函相关部件损坏，经常出现介质外漏；同时，因尿液在低温环境下易结晶，系统开停车过程中温差较大，泄漏的尿液在填料腔体内结晶、膨胀，会导致密封填料变形而阀门卡涩，带来较大的安全隐患并影响系统的稳定运行。

1.2 填料函设计不合理

HV2101填料压盖采用螺纹紧固设计（螺纹式填料压盖），使用过程中由于填料损坏介质泄漏，尿液结晶体附着在螺纹缝隙内，导致在紧固填料时填料压盖螺纹与填料腔体螺纹咬死，紧固时所需扭矩较大，严重时导致螺纹损坏，无法拆卸。2014年、2017年均发生过此种问题，导致维修难度及劳动强度加大。

此外，HV2101填料压盖采用螺纹紧固的方式易将填料函内导向环及填料压偏，且易将压盖螺纹和填料函腔体螺纹拉变形，不易将填料压实，易发生介质外漏及填料压盖螺纹与填料函腔体螺纹咬死的问题。

1.3 填料选型不当

原设计HV2101填料选用的是PTFE／35%Kohle绳状填料，使用寿命短。2016年改用60°V型PTFE填料，因所处工况温度较高，PTFE填料使用3～5个月就会因老化而致阀杆和填料处介质泄漏；2017年改用60°V型改性增强PTFE填料，使用效果较好，但仍未达到预期效果。

2 改造方案

为保证尿素装置的安、稳、长、满、优运行，经过多年的数据收集，针对上述原因逐项进行分析，2018年提出对HV2101阀内件进行改造，即将螺纹式填料压盖改为活塞式填料压盖，总体方案为：HV2101填料腔体重新进行加工，将螺纹式填料压盖改为活塞式填料压盖，并将填料改为两段式复合型填料，考虑到阀门的结构和尺寸，最终采用抱箍式压紧结构，具体如下。

2.1 填料腔体

（1）在原填料腔体的基础上增加一个卡槽（如图1），用来安置承力抱箍。

图1 改造前后填料腔外观示意图

（2）考虑到调节阀执行机构的安装位置，填料腔体高度及阀杆长度均增加10mm。

（3）抱箍采用对剖式，四点承力，其中两点承受抱合压紧力，另外两点承受压紧螺栓拉应力；抱箍凹槽采用梯形设计，抱箍厚度45mm，可保证在抱合螺母压紧时有最大的接触面积。

2.2 活摘压盖组件

（1）活摘压盖组件包括填料压盖、填料压紧螺栓、承力抱箍、预紧碟簧。其中，填料压紧螺栓选用35CrMo材质8.8级M16螺栓，抱箍选用316材质、厚度45mm，压板选用316材质、厚度38mm。

（2）在填料压紧螺栓上增加一对弹簧垫片，保证填料在介质压力、温度等变化时有一定的预紧力进行补偿。

2.3 填料组件

（1）因填料腔体较长，为保证填料的密封性与阀杆的对中性，在填料腔体内增加导向轴套，保证阀杆在悬臂梁的状态下能够让阀芯与阀座密封面吻合。

（2）将填料腔分为3层，下层接触尿液部分采用耐高温石墨绳编制成型的填料，中间层采用Safurex轴套，上层采用加强型四氟棒加工的V型填料。

2.4 阀内件材质的选择

2.4.1 阀芯、阀杆材质的选择

因此前已经采用UNSS31260材质制作过阀杆和阀芯且现场使用情况良好，未发现明显的腐蚀，故本次技改仍然采购UNSS31260钢材制作阀芯、阀杆。

2.4.2 填料腔体材质的选择

厂家设计资料中填料腔体材质为Safurex。通过S32906与Safurex材料成分及硬度的对比（如表1）可知：S32906与Safurex成分相近，填料腔体材质可选用S32906，但S32906的硬度高于Safurex的理论硬度，为保证阀体不被损坏，在填料腔体加工完成后，对其密封面进行表面退火处理，适当降低其表面硬度，由此可在填料腔体与阀体硬密封配合时起到保护阀体的作用。

表1 填料腔体材料分析数据对比

3 关键部件选用及理论验证

3.1 填料压盖承受力的计算

尿素合成塔出料调节阀（HV2101）操作压力较高，在更改填料压盖设计时须进行严格核算和审查，以保证改造效果。由HV2101设计数据可以计算出阀门填料所受力矩（考虑到阀门的安全性，HV2101填料使用压力取阀门设计压力14.12MPa的1.5倍）F＝πR2p＝3.14×332×（14.12×1.5）＝72424.1628N／mm2（式中：F—填料腔体受力，N／mm2；R—填料腔体半径，mm；p—填料使用压力，MPa）。

3.2 填料压紧螺栓承受力的计算

据设计方案，HV2101填料压紧采用2根螺栓，考虑到填料压紧过程中会出现单颗螺栓压紧情况（即一颗螺栓受力的情况），故在计算填料压紧螺栓承受力时选用填料压盖最大受力进行计算：采用螺栓保证应力SP计算螺栓直径，据《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》（GB／T 3098.1—2010），8.8级螺栓保证应力SP＝580 MPa，据螺栓强度计算公式可求出螺栓半径RL＝［FL÷（SP÷π）］0.5＝［72424.1628÷（580÷3.14）］0.5≈6.3 mm （式中：RL—螺栓半径，mm；FL—单个螺栓承受力矩，N／mm2；SP—螺栓保证应力值，MPa），则螺栓直径D＝2RL＝12.6mm。

据上述计算结果，可选用35CrMo材质8.8级M14以上螺栓；据实际经验，选用更粗的螺栓可确保强度要求，填料压盖抱箍上可以做到M16，故设计时选用35CrMo材质8.8级M16螺栓。

3.3 模拟验证

我们采用Solidwork软件三维实体建模，对HV2101改造部件进行静应力分析。

3.3.1 填料压盖受力强度分析

据设计，压板选用316材质，压板中心支撑，两端使用螺栓对填料进行压紧，螺栓的作用力在压板上，压板最大承受力矩为72424.1628 N／mm2，通过Solidwork软件三维实体建模运算，压板可承受屈服力为203.5MPa，阀门使用压力14.12MPa仅约压板可承受屈服力的1／14，压板厚度选用38mm完全可满足工况要求。

3.3.2 填料压紧螺栓受力强度分析

据设计，螺栓采用8.8级35CrMo材质，螺杆下端载入抱箍20mm为螺栓试验的固定端，以上部分为螺栓提拉部分，填料压紧螺栓最大承受力矩为72424.1628N／mm2，通过Solidwork软件三维实体建模运算，螺杆可承受屈服力为634.3MPa，阀门使用压力14.12MPa仅约螺杆可承受屈服力的1／45，螺栓选用M16完全可满足工况要求。

3.3.3 承力抱箍受力强度分析

据设计，承力抱箍选用316材质，承力抱箍对夹连接，两端使用螺栓对填料进行压紧，螺栓的作用力在承力抱箍的两端，承力抱箍两端最大承受力矩为72424.1628N／mm2，通过Solidwork软件三维实体建模运算，承力抱箍可承受屈服力为169.3MPa，阀门使用压力14.12MPa仅约承力抱箍可承受屈服力的1／12，抱箍厚度选用45 mm完全可满足工况要求。

4 结束语

金新化工2018年提出对HV2101进行改造，2019年年中落实本项技改——将螺纹式填料压盖改为活塞式填料压盖，并通过Solidwork软件三维实体建模验证，螺栓选用M16、压板厚度选用38mm、抱箍厚度选用45mm可满足工况要求。

技改后，尿素合成塔出料调节阀（HV2101）经历了多次系统开停车，填料无泄漏迹象，阀门开关动作灵活，系统调节稳定，有效解决了HV2101填料泄漏、压盖紧固卡涩、检修拆卸困难等问题，缩短了检修时间，延长了HV2101的使用周期，保障了尿素装置的安、稳、长、满、优运行。实践表明，金新化工对HV2101填料腔体的改造是合理的且有成效的，可为类似工况下阀门的优化改进提供一些参考与借鉴。