新型P4调节阀在尿素装置中的应用

    1 前言

    采用水溶液全循环法进行尿素生产的装置，在仪控系统中有一个非常重要的调节阀，那就是尿素合成塔出口压力调节阀，即我们通常所说的P4阀。它安装在尿素合成塔顶出口管线上，尿素合成塔的反应混合物（内含有尿素、甲铵、氨、水、二氧化碳等）在20MPa压力下经此调节阀减压至1.77MPa后进入预蒸馏塔。

    尿素工艺生产条件决定了P4阀的结构特点。合成塔内压力约为20MPa，化学反应剧烈，压力波动大，而且受到入塔物料压力的影响；介质流速高，波动影响大；介质温度较高，但温度降低后易结晶，不宜设置旁路阀；塔体及管线在生产中有一定振动；压力从20MPa骤减至1.77MPa，压差高达18.23MPa，带来严重的闪蒸和气蚀现象；介质中的甲铵具有强烈的腐蚀性；在线维护风险大，阀门如大幅度开关会造成合成塔超压或中压系统超压，引起大范围的工艺波动甚至引发事故等等。生产过程中对调节阀的影响因素，其中气蚀和腐蚀的影响最大。这些条件要求所选用的P4调节阀应具有耐高压、耐高温、抗振动、耐冲刷、耐腐蚀、密封性好和可好维护等特点，另外还要配备高效齐全的附件，如定位器和手轮机构等。

    高压调节阀通常是指PN≥16MPa的阀，该阀使用中存在的主要问题不是压力特别大，而是压差特别大时，对阀芯、阀座产生严重的气蚀和腐蚀，P4阀的阀芯材质经历了多次的换代更新，仍然不能完全保证抗腐蚀性能，每次大修必须拆检。

    2 P4调节阀寿命短的主要原因

    整阀的寿命极短，一般的阀仅能用上1～2个月。

    （1）冲蚀：在节流口，介质高速流动，具有强大动能，它可以很快将阀芯、阀座冲出流线型的细槽。尤其在小开度时，节流间隙小，节流速度达到最大值，巨大的冲刷作用会破坏钝化型金属的表面钝化膜，并妨碍其再钝化，腐蚀速度急剧增加。

    （2）气蚀：当介质流过节流口时，其速度急剧增加，压力急剧下降，当压力低于饱和蒸汽压时，液体就会闪蒸出气体来，形成气液双相流动，气体裹夹着未气化的液滴，以极高的速度撞击阀芯，对阀芯造成了巨大的破坏，使阀芯表面产生蜂窝状的凹坑，从而在很短的时间内造成严重的物理性损伤。并且整个过程伴随有较大的振动和噪声。

    3 兖矿峄化公司使用P4阀的情况

    3.1 原来所用ZMBS高压P4阀存在的问题

    （1）该P4阀均采用平面密封，密封主要靠石棉、四氟密封垫，由于该阀的阀前阀后压差较大，常常导致上、下阀盖与阀体的密封面以及导向套的下密封面和阀座的上密封面与阀体接触面产生渗漏，垫片破损后甚至发展为喷漏。

    （2）该P4阀的导向套为单一功能的过渡导向，且较短，在入口压力较大的情况下，阀芯的导向不稳定，使阀芯和阀座摩擦发卡、严重偏磨凹陷，直接影响调节品质。

    （3）该P4阀的阀杆较细，在压差较大的情况下易产生弯折，甚至在阀芯和阀杆连接处断裂，严重时可能造成合成塔超压的不良后果。

    （4）尿液结晶较为常见，一般发生在填料函处，从而造成阀杆动作不灵活，致使P4阀无法正常运行。

    3.2 采用HTP新型P4调节阀的情况

    2007年，公司相继对两套尿素生产装置中的关键设备尿素合成塔进行更换，安装了直径1400mm、40m³的新尿塔，借此机会，经过多次考察对比，认真考虑反复衡量，选用了重庆南坪自动化仪表厂生产的HTP-320K型新一代尿素专用高压调节阀。

    HTP新型尿素专用调节阀是该厂集多年生产高压P4阀的经验，并在消化吸收引进大化肥装置先进技术基础上研制开发具有自主知识产权的专利产品，与原P4阀比较，具有抗震性能好，噪音低、耐冲刷、抗腐蚀、能承受高压差、寿命长、使用可靠、维修方便等诸多优点。

    （1）执行机构：执行机构采用国外技术，结构更紧凑轻巧、输出力大、运行平稳、强度更好，而且减少了高度、质量，安装维护更加方便。

    （2）阀内组件：阀内组件采用双导向结构，导向套和笼式为一体式，伸长了导向距离，保证了在运行中阀芯、阀座的同轴度。利用笼式分散节流，起到了多级降压、抑制涡流的作用。同时阀杆的加粗，更增强了抗冲击能力，克服了在瞬间高压差下导致阀杆弯折现象。

    （3）阀体和组件的密封：将所有的平面密封设计为斜面SR球面线密封，不再使用密封垫。使上述各密封面不再产生渗漏与喷漏，更换任何一个零件很容易达到不渗漏，保证了在高压状态下密封的可靠性。更换、维护阀内组件更为方便，减少了工作强度。

    （4）阀芯、阀座材质：决定高压P4阀抗冲刷、耐腐、耐高压差的主要因素是阀芯、阀座材质和金属的物理处理。目前，国内化肥行业中使用的P4阀，阀内组件材质均采用A4钢，这种材料在该阀上使用，开车工况较好的状态下，阀芯、阀座使用寿命一般在一个大修周期，有的会长些。而采用新材料U3钢材用于P4阀的芯、座制作，在同工况下使用，寿命可延长一倍或一倍以上，降低了使用成本。U3钢除具有A4钢的所有元素成分外，又新增加了耐尿液元素，更具有抗冲刷、耐蚀能力。

    另外，针对北方寒冷的天气，尿液在低温下易结晶的实际情况，该阀可以制造成带保温夹套式结构，使介质温度不致于降低到结晶点，从而保证了调节阀运行的灵活性。

    自2007年投运以来，新型P4阀真正体现出了上述优点，达到了操作自如、弹性较大、运行周期较长、适应性强、安全可靠和系统稳定的工艺技术要求，没有因为阀本身的原因造成影响生产的情况发生，保证了尿素生产的稳定运行，阀内件使用周期大大延长，大大降低了维护工作量，给公司带来了一定的经济效益。