硫酸裝置轉化工序蝶閥改造及運行

    蝶閥在硫酸裝置轉化工序中普遍使用，視裝置規模大小，其口徑從DN100到DN2000不等。轉化工序的蝶閥所涉及的工作溫度和壓力范圍較寬，并且所接觸的工作流體具有不同的組成和雜質含量。由于工作條件缺乏典型性，所以轉化工序的蝶閥多按照基本工藝條件和歷史經驗進行選型。有時相近的工藝條件，閥門選型會有很大的不同；即使在同一部位，閥門更新時也可能出現截然不同的選型。閥門選用不同的材料和結構會導致不同的采購費用（進口產品價格往往高出三五倍），而且有時貴的閥門使用效果不一定更好。在多年的生產實踐中發現，硫酸裝置轉化工序的蝶閥普遍應用效果不佳，比如容易發生卡軸、卡板、閥板扭曲、執行機構損壞等，甚至間接導致裝置發生嚴重的升華硫、捕沫器燒壞等事故。一般處理這類問題的方法是配備大扭矩執行機構、在結構上過分增強閥門剛性、定期檢修或更新、選用昂貴的進口產品等，但有時最終效果還是不理想。為此，解決蝶閥的應用問題，對促進硫酸裝置可靠運行、節能降耗具有積極的意義。

    1 轉化工序中的蝶閥

    蝶閥的基本結構比較簡單：一個圓形蝶板隨閥桿以0°～90°的角度旋轉，以實現截斷或調節功能。蝶閥最適合用在低壓大中口徑管道上，性價比極高。蝶閥可分為同心蝶閥、單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥。硫酸裝置多采用同心蝶閥，主要用于調節流量；其次是三偏心蝶閥（或雙偏心蝶閥），主要用于截斷或隔離，兼具調節功能。由于三偏心蝶閥結構復雜、制造精度高，工作條件又苛刻，故該類閥門更容易產生卡澀和關閉不嚴的故障。

    蝶閥的故障頻率以及使用壽命一般與流體溫度、酸泥含量等工作條件及閥門專業制作水平等有關。用在硫酸裝置轉化工序的蝶閥基本不需要考慮一般控制閥所必須關注的指標或參數，如流量特性、流量系數、壓差、沖刷、空化、汽蝕、不平衡力、流向、穩定性、噪聲等等。蝶閥轉動自如是主要的性能要求，其次是密封性。但在實際應用中，僅僅這2點都很難實現，原因在于硫酸裝置轉化工序蝶閥的工作環境有其特殊性：

    a.工作溫度范圍寬。蝶閥的工作溫度從環境溫度到500℃，甚至更高，幾乎達到普通金屬材料的承受極限，有時溫度還會高低交替變化。

    b.蝶閥尺寸比較大。轉化工序的蝶閥直徑多為0.6～2m，所以閥門穩定性稍有不好即容易出現卡板、卡軸故障。

    c.工藝流體特殊。蝶閥所接觸的工藝流體中多含有與濃硫酸具有類似腐蝕性的酸泥，有時酸泥被烤干成固體，吸濕后又變成酸泥。

    鑒于這些特殊性，按常理很難有合適的材料可供使用。但在實際應用中，即使普通的碳鋼材質也有用得很久的，好像只需考慮耐某種溫度下的二氧化硫或三氧化硫即可。只有當蝶閥頻頻出現問題時，才會考慮改變閥門的材料或結構。

    蝶閥的性能好壞還與其工作時間長短有關。一般短則數月、長則三五年，閥門使用情況還可以，但隨著時間的推移，閥門卡澀現象會越來越嚴重。

    2 常規蝶閥結構分析

    與所有產品一樣，蝶閥制造也必須遵循相關的技術規范，如GB/T12238—2008《法蘭和對夾連接彈性密封蝶閥》、JB/T8527—1997《金屬密封蝶閥》等。在這些技術規范中，對蝶閥尺寸、配合穩定性、強度、材料選擇等均做出了相當詳細的規定。按照這些技術規范制造的蝶閥已在各行各業中成功地使用，硫酸工業使用的蝶閥僅僅是其中很小一部分，然而使用效果很不理想。

    根據多年的故障處理經驗和分析，發現在典型的蝶閥中有2處結構與其性能和壽命密切相關。一是閥體中的軸由圓筒形軸套（包括對開環）來限位，二是閥桿在填料密封處的直徑不變（見圖1）。當黏稠性或腐蝕性介質滲透到軸套或閥桿表面時，或者當閥門的工作溫度變化范圍較大時，閥桿與軸套、對開環、填料壓蓋之間產生的摩擦力和機械應力很大，極容易導致蝶閥發生卡澀甚至抱死。

圖1 典型的蝶閥結構

    3 蝶閥改造方案

    蝶閥的各種改造方案主要是圍繞閥桿的摩擦副進行。

    圖2是“變徑閥桿填料密封結構”改造方案。由圖2可見，變徑閥桿的大端與填料壓蓋之間仍按照原有技術規范進行配合，小端則按照較大的間隙進行配合（比如1mm）。具體間隙可根據閥門口徑、工作溫度進行調整，沒有嚴格的要求。由于在填料密封處對閥桿作了變徑處理，在保證填料密封性的同時，能有效避免閥桿被填料壓蓋卡澀或抱死，且填料的更換較為方便。

圖2 “變徑閥桿填料密封結構”改造方案

    圖3是“閥桿定位銷”改造方案。其技術關鍵是在閥體支座、閥桿、軸套組件中增加定位銷，從而形成定位間隙。實踐證明，這種結構能完全避免因介質的黏稠性、腐蝕性和閥門變形而導致的閥桿卡澀或抱死。閥桿的軸向也可采用類似方式定位。此方案比較適合現場改造。

圖3 “閥桿定位銷”改造方案

    圖4是“帶凸體軸套”改造方案。該方案是將圖1中的圓筒形軸套改為外表面有3個或3個以上均勻分布的凸體，是對閥桿定位銷改造方案的補充，適合蝶閥的設備更新但不適合現場改造。這種結構的軸套不僅能保證閥門運行的精度，而且能在一定程度上減小由于摩擦副黏結或機械應力帶來的不利影響。

圖4 “帶凸體軸套”改造方案

    上述改造方案側重于解決蝶閥應用中閥桿卡澀問題，對解決或改善蝶閥的其他問題，如三偏心蝶閥應用中的“零泄漏”，也是有利的。

    4 蝶閥改造及運行實例

    威頓（中國）化工有限責任公司有2套400kt/a硫磺制酸裝置，轉化工序裝有近20個蝶閥，分別來自國內外6個廠家。在使用過程中，幾乎每個蝶閥都出現不同程度的卡澀問題，經過多次的維修、更新。在這 些蝶閥中，按上述改造方案整改的有9個（還有1個在計劃之中），最早的一個已連續免維護運行了7年。轉化工序蝶閥整改情況如表1所示。

表1 轉化工序蝶閥整改情況

    注：①除HV1302（DN450）和HV302（DN450）為三偏心蝶閥外，其他均為同心蝶閥；

    ②在閥門改造中如涉及執行機構的更新，選用扭矩標稱值均不超過1600N·m，其中包括2套三偏心蝶閥在內；

    ③“流暢運行至今”系指蝶閥本體未出現卡澀，不包括執行機構出現的卡澀；

    ④除了閥門更新外，其他改造活動均在現場完成，每個閥門改造需要3～5d，3人左右作業。

    5 結語

    硫酸裝置轉化工序蝶閥容易出現卡澀的情況說明，按照現有技術規范制造的蝶閥至少不能很好地適應類似硫酸裝置轉化工序這樣的工藝條件，僅僅通過更換制造廠家或閥門材料難以保證理想的使用效果。采用新技術方案改造和制造的蝶閥，分布在轉化工序工藝條件最惡劣之處，已經通過了工業化長周期運行的考驗，而且是長周期免維護地流暢運行。但是，這些技術方案是否具有普遍的適應性還有待于證實和檢驗。建議豐富和完善現有蝶閥技術規范，使蝶閥在硫酸裝置中得到廣泛成功的應用。