加氢装置中高压调节角阀的应用探讨

格拉斯

　  摘 要：介绍了国内某柴油加氢装置中多台高压调节角阀的应用，探讨了加氢装置中的多种苛刻工况及其对调节阀的影响，并从高压调节角阀的材质及结构选型上进行了比较说明。

   关键词：加氢装置；高压调节角阀；高压差工况

   引言加氢装置一般是在高温、高压、临氢等条件下操作的油品二次加工装置，具有工艺技术较复杂、介质易燃、易爆、易凝、易腐蚀等特点，对操作安全要求严格、操作难度大。因此，要求自动控制系统不仅要有完备的控制功能，更重要的是必须具有高可靠性和高安全性。调节阀作为自动控制系统中的执行单元，其选型应满足工艺流程和操作的要求。调节阀的控制效果、工作寿命都将影响装置的生产效果。由此可见，在工程设计阶段，调节阀的选型至关重要。

　　加氢装置中常有需要在高压差工况下工作的调节阀，这些调节阀通常选用角形调节阀。结合国内某柴油加氢装置， 本文将对装置中多台高压调节角阀的选型应用进行介绍， 并针对具体工况，在调节阀材质及结构上进行对比探讨。

　　加氢装置中的高压差工况及其影响不同于其他炼油装置，加氢装置中的高压差工况存在哪些特点，这些特点对调节阀的应用又有哪些影响，将在本章节中详细介绍。

　　1.1闪蒸和气蚀现象1.1.1原理气蚀：又称空蚀，穴蚀。流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。气蚀分为闪蒸和空化两个阶段：闪蒸：如果阀门缩流断面（缩流断面：在阀座口的最大流道缩径处或其下游，流体速度增加，在实际缩径处的下游会出现流束的最小横断面，即缩流断面）处的压力达到或低于液体所在情况的饱和蒸汽压时，部分液体产生气化，形成气液两相共存的现象。这种现象称为“闪蒸”。

　　空化：产生闪蒸以后，如果阀门的出口压力并不保持在饱和蒸汽压以下，而是急剧上升，这时气泡破裂转化为液态，这种现象称为“空化”。

　　所以第一阶段液体内部形成空腔或气泡，即闪蒸阶段；第二阶段气泡发生破裂即空化阶段。

　 （1）闪蒸对阀芯严重冲刷破坏，在其表面形成光滑的磨痕。冲刷最严重的地方一般在流速最高处， 即阀芯或阀座环接触线上或附近。气泡破裂时所有的能量集中在破裂点上，其冲击力大大超过大部分金属材料的疲劳破坏极限，在阀门内件表面形成粗糙的渣孔般外表面。

　（2）振动。阀芯的振动包括垂直振动和水平振动，它们分别来自流体对阀芯的垂直撞击与水平撞击，造成机械磨损和破坏。

　（3）噪声。包括阀芯振动造成的噪声、空化造成的噪声、高速气体造成的气体动力噪声。

　　由此可见，高压差引起的闪蒸和气蚀，会对阀门结构造成不可逆转的损害，严重影响阀门使用寿命，甚至直接导致阀门调节失效。

　　1.2 其他特点除了上述所说的闪蒸及气蚀现象外，加氢装置中的高压差工况通常还与以下特点并存：1）介质高温、高压或含有硫化氢，这些介质都会加剧调节阀的腐蚀。

　　2）由于压差较高，流体在阀体内的流速较高，如夹带固体颗粒也会对阀内件造成较大冲击、损坏。高流速也会加大阀门噪声。

　　3）如果调节阀经常工作在小开度状态下，阀门整个压降将全部作用于阀芯、阀座密封面附近，严重的冲刷有可能导致阀门泄漏。

　　4）由于加氢装置介质易燃、易爆、有毒，热高压分离器出口的调节阀还是整个加氢装置中高、低压系统的分界面。如果调节阀关断不严密，发生泄漏或发生“高压串低压”的情况，将对整个装置的生产安全、装置区域的环境安全甚至是装置操作人员的人身安全带来严重危害。

　　2针对高压差工况的解决方法

  2.1针对闪蒸、气蚀现象的对策由于闪蒸的出现是阀门下游压力低于液体的饱和蒸气压导致的，而阀门的下游压力是工艺流程决定的。所以， 对于调节阀来说，闪蒸不能预防，只能做到尽量避免或减小闪蒸带来的破坏。不同于闪蒸的无法避免，气蚀是可以处理的。由于气蚀产生的原因是因为在缩流断面产生了一个小于液体饱和蒸气压的压力，而在阀门出口处压力又恢复到或大于液体饱和蒸气压。所以，可以通过控制压降来阻止气蚀的发生。

　　2.1.1从材料上考虑这种对策的目的是尽可能减小或隔离气蚀对阀内件的破坏。

　　通常来说，材料越硬，抗蚀能力则越强。但目前市场上并没有长时间抵抗严重空化而不受损害的材料。

　　另一方面，可以对阀座、阀芯、阀座密封线处做局部或整体硬化，如堆焊司太莱合金等，来提高阀内件的抗冲刷能力。

　　2.1.2从结构上考虑1）采用角形阀，除用在管道成直角安装的场所，角阀内部的流线形通道可防止固体颗粒在阀内聚集，以及对阀内件表面的冲击，也便于自净和清洁。角阀通常有较高的压力恢复系数，在高压差工况下可减少气蚀的产生。对于汽化量较大的角阀，出口宜做成扩散式，以减少高速流体冲刷的影响，延长阀门的使用寿命。还可以选用阀芯、阀座易于更换的角阀。

　　2）采用多级降压阀内件，将通过阀门的压降分成多个较小的压降，而每一级压降都不足以产生蒸汽气泡，从而消除了气蚀。

　　3）采用多孔节流阀内件，在套筒或阀芯上开许多特殊形状的孔。当液体从各个小孔喷射进去后，在套筒内发生碰撞消耗能量；让气泡破裂在套筒中心，避免对套筒和阀芯的直接破坏。

　　2.2针对高温、高压等特点的对策同面对闪蒸和气蚀现象一样，依然可以从调节阀的材料及结构两个方面来解决高温、高压等特点带来的影响。选择合适的阀体和阀内件材料，同时需兼顾成本及材料在结构上的匹配问题，就可以在一定程度上避免或减轻这些不利工况对阀门的影响。具体措施将在下文结合实例进行介绍。

　　3不同工况下的实际应用本文结合的柴油加氢装置采用连续液相加氢技术，该技术取消了常规滴流床技术中的高压循环氢系统。为适应液相为连续相，气相为分散相的特点，采用上流式反应/分离器。反应器流出物不经换热直接进入热高压分离器。表1 中所列为装置内高压调节角阀的主要工艺参数。

　　装置中所有的高压调节角阀均采用金属硬密封并达到ANSI CL V的泄漏等级要求。在阀门结构上，所有高压调节角阀都采用流开型。调节角阀有流开型，也有流闭型结构，但是根据使用经验，流开型的结构下调节阀稳定性较好，噪声和振动较小，可调节性强。

　　下面按照介质状态，将表1中高压调节角阀分成两大类，对其选型应用进行比较说明。

　　3.1介质状态为气体的高压调节角阀3.1.1高压调节角阀的结构PV-14102、FV-11701/11702及HV-11701均采用的是柴油加氢装置中高压调节角阀主要工艺参数底进侧出的套筒式结构角阀。根据所示，这几台调节阀的介质均为气体。由于气体介质在调节阀内不存在发生闪蒸或气蚀现象的情况，在满足调节阀开度及出口噪声等阀门计算要求的情况下，不需要采用多级降压阀芯。加氢装置的气体中可能夹带催化剂颗粒，故不宜采用迷宫式阀芯结构。

　　对于介质干净无固体颗粒的情况，则可选择迷宫式阀芯结构。图1是某迷宫式阀芯结构的阀笼。在阀笼上开许多平行窄槽，用以减少紊流并在扩展面积上有较好的速度分布。这种方法既可有效减少噪声及振动，也不影响调节阀的流通能力。

　　3.1.2高压调节角阀的材质由于在装置开工硫化阶段，新氢压缩机打循环，进出口管线中含有硫化氢。PV-14102选用的阀体材质为A216 gr WCC，阀芯材质为410不锈钢，必须达到NACE   MR0175标准的要求。

　　FV-11701/11702、HV-11701的温度较高，管道材质是ASTM A312 TP321，相应的调节阀阀体材质选用ASTM A351CF8C，阀内件材质也相应采用347SS。考虑到介质中夹带固体颗粒，对阀芯、阀笼表面需做硬化处理。

　　3.2介质状态为液体的高压调节角阀3.2.1反应进料泵出口最小流量调节阀FV-10501A/B原料油温度较低、腐蚀性较小，FV-10501A/B阀体选用的是A216 gr WCC，阀内件选用的630不锈钢并做了硬化处理。

　　因为原料油温度相对较低，其饱和蒸气压也较低， FV-10501A/B通过选用底进侧出的多级降压式阀芯结构， 可避免出现介质压力低于其饱和蒸汽压的情况，从而避免气蚀的发生。

　　所示为FV-10501A/B选用的阀芯结构。通过阀芯内部的流道设计，及采用不等分级降压的措施，对流体的压降进行控制，以防止气蚀发生。从图2中可以看到相邻的两段阀芯，切槽错开呈90°分布，流体经过阀芯与套筒之间的流道，需要转90°才能流进下一段阀芯。流体在转弯过程中冲撞阀芯及套筒内壁消耗能量，抵消压差，实际作用在每段阀芯上的压差降低，有效延长阀芯寿命。这种结构将轴向流、径向流和圆周流结合，使流体流经阀门时压力平稳降低，大流道也利于固体颗粒通过。套筒式导向结构保证阀门平稳控制，将预估会发生气蚀的位置设计在远离阀芯密封面处，能够有效地保护阀门。

　　FV-10501A/B流量特性所示。阀座也采用了保护型设计，如图4所示。其目的就是避免在调节阀最初的15% 开度中，在阀内产生明显流量，由于流体保持静态，阀芯、阀座密封面就不会在这个阶段承受阀门的全部压降， 不会出现被流体严重冲刷导致调节阀泄漏的现象。

　　反应器液位控制阀LV-11701A/B由于采用了上流式反应/分离器，这两台调节阀所在位置也就是通常加氢装置中热高压分离器的底出口管线。调节阀的介质是反应产物，且高温、高压、含硫化氢、有可能夹带固体颗粒，阀后有16.4%～51.4%的汽化量，这两台调节阀也是整个加氢装置中高低压系统的分界点，同时还有联锁关闭要求。由此可见，LV-11701A/B所面临的工况最为苛刻。

　　在选材上，LV-11701A/B的阀体选用ASTM A351 CF8C, 阀内件均选用347不锈钢并做硬化处理。

　　由于汽化量较大，必然存在闪蒸现象，与FV-10501A/ B不同，LV-11701A/B采用了侧进底出的流开型结构，如图 5所示。这是一种被称为“圣诞树”式的轴流式多级降压阀芯结构，在逐级降压的过程中流道面积不断增大，给气体提供足够的膨胀空间，避免在降压过程中介质压力降至饱和蒸气压以下。逐级膨胀的空间可以逐级降低介质流速， 以减轻闪蒸对阀内件的冲刷，有效防止介质中固体颗粒聚集、堵塞流道。

　　在这种工况下，采用这种阀门内部结构在最大程度上减轻了闪蒸和气蚀对阀门的损害，延长了阀门的使用寿命，维护装置的安全稳定生产。在实际的使用过程中，LV-11701A/B工作状态良好。

　　4.结束语加氢装置中的高压调节角阀虽然同在高压差工况下工作，但是由于介质的状态、温度、压力、腐蚀性等参数不同，调节阀的材质，特别是阀芯结构上会有较大差异。在调节阀选型设计时既要充分考虑各项因素，让调节阀能够在苛刻工况下长期有效的工作；也要考虑成本，根据实际情况选择适度的材质及结构，不做过度设计。

　　参考文献：这种阀芯在结构上入口小出口大，能够减小出口流速，减小流体对阀内件及下游管线的冲刷和破坏，降低噪声与振动。LV-11701A/B的阀座同样采用了类似FV- 10501A/B的保护型设计。