硫酸装置转化工序蝶阀改造及运行

    蝶阀在硫酸装置转化工序中普遍使用，视装置规模大小，其口径从DN100到DN2000不等。转化工序的蝶阀所涉及的工作温度和压力范围较宽，并且所接触的工作流体具有不同的组成和杂质含量。由于工作条件缺乏典型性，所以转化工序的蝶阀多按照基本工艺条件和历史经验进行选型。有时相近的工艺条件，阀门选型会有很大的不同；即使在同一部位，阀门更新时也可能出现截然不同的选型。阀门选用不同的材料和结构会导致不同的采购费用（进口产品价格往往高出三五倍），而且有时贵的阀门使用效果不一定更好。在多年的生产实践中发现，硫酸装置转化工序的蝶阀普遍应用效果不佳，比如容易发生卡轴、卡板、阀板扭曲、执行机构损坏等，甚至间接导致装置发生严重的升华硫、捕沫器烧坏等事故。一般处理这类问题的方法是配备大扭矩执行机构、在结构上过分增强阀门刚性、定期检修或更新、选用昂贵的进口产品等，但有时最终效果还是不理想。为此，解决蝶阀的应用问题，对促进硫酸装置可靠运行、节能降耗具有积极的意义。

    1 转化工序中的蝶阀

    蝶阀的基本结构比较简单：一个圆形蝶板随阀杆以0°～90°的角度旋转，以实现截断或调节功能。蝶阀最适合用在低压大中口径管道上，性价比极高。蝶阀可分为同心蝶阀、单偏心蝶阀、双偏心蝶阀和三偏心蝶阀。硫酸装置多采用同心蝶阀，主要用于调节流量；其次是三偏心蝶阀（或双偏心蝶阀），主要用于截断或隔离，兼具调节功能。由于三偏心蝶阀结构复杂、制造精度高，工作条件又苛刻，故该类阀门更容易产生卡涩和关闭不严的故障。

    蝶阀的故障频率以及使用寿命一般与流体温度、酸泥含量等工作条件及阀门专业制作水平等有关。用在硫酸装置转化工序的蝶阀基本不需要考虑一般控制阀所必须关注的指标或参数，如流量特性、流量系数、压差、冲刷、空化、汽蚀、不平衡力、流向、稳定性、噪声等等。蝶阀转动自如是主要的性能要求，其次是密封性。但在实际应用中，仅仅这2点都很难实现，原因在于硫酸装置转化工序蝶阀的工作环境有其特殊性：

    a.工作温度范围宽。蝶阀的工作温度从环境温度到500℃，甚至更高，几乎达到普通金属材料的承受极限，有时温度还会高低交替变化。

    b.蝶阀尺寸比较大。转化工序的蝶阀直径多为0.6～2m，所以阀门稳定性稍有不好即容易出现卡板、卡轴故障。

    c.工艺流体特殊。蝶阀所接触的工艺流体中多含有与浓硫酸具有类似腐蚀性的酸泥，有时酸泥被烤干成固体，吸湿后又变成酸泥。

    鉴于这些特殊性，按常理很难有合适的材料可供使用。但在实际应用中，即使普通的碳钢材质也有用得很久的，好像只需考虑耐某种温度下的二氧化硫或三氧化硫即可。只有当蝶阀频频出现问题时，才会考虑改变阀门的材料或结构。

    蝶阀的性能好坏还与其工作时间长短有关。一般短则数月、长则三五年，阀门使用情况还可以，但随着时间的推移，阀门卡涩现象会越来越严重。

    2 常规蝶阀结构分析

    与所有产品一样，蝶阀制造也必须遵循相关的技术规范，如GB/T12238—2008《法兰和对夹连接弹性密封蝶阀》、JB/T8527—1997《金属密封蝶阀》等。在这些技术规范中，对蝶阀尺寸、配合稳定性、强度、材料选择等均做出了相当详细的规定。按照这些技术规范制造的蝶阀已在各行各业中成功地使用，硫酸工业使用的蝶阀仅仅是其中很小一部分，然而使用效果很不理想。

    根据多年的故障处理经验和分析，发现在典型的蝶阀中有2处结构与其性能和寿命密切相关。一是阀体中的轴由圆筒形轴套（包括对开环）来限位，二是阀杆在填料密封处的直径不变（见图1）。当黏稠性或腐蚀性介质渗透到轴套或阀杆表面时，或者当阀门的工作温度变化范围较大时，阀杆与轴套、对开环、填料压盖之间产生的摩擦力和机械应力很大，极容易导致蝶阀发生卡涩甚至抱死。

图1 典型的蝶阀结构

    3 蝶阀改造方案

    蝶阀的各种改造方案主要是围绕阀杆的摩擦副进行。

    图2是“变径阀杆填料密封结构”改造方案。由图2可见，变径阀杆的大端与填料压盖之间仍按照原有技术规范进行配合，小端则按照较大的间隙进行配合（比如1mm）。具体间隙可根据阀门口径、工作温度进行调整，没有严格的要求。由于在填料密封处对阀杆作了变径处理，在保证填料密封性的同时，能有效避免阀杆被填料压盖卡涩或抱死，且填料的更换较为方便。

图2 “变径阀杆填料密封结构”改造方案

    图3是“阀杆定位销”改造方案。其技术关键是在阀体支座、阀杆、轴套组件中增加定位销，从而形成定位间隙。实践证明，这种结构能完全避免因介质的黏稠性、腐蚀性和阀门变形而导致的阀杆卡涩或抱死。阀杆的轴向也可采用类似方式定位。此方案比较适合现场改造。

图3 “阀杆定位销”改造方案

    图4是“带凸体轴套”改造方案。该方案是将图1中的圆筒形轴套改为外表面有3个或3个以上均匀分布的凸体，是对阀杆定位销改造方案的补充，适合蝶阀的设备更新但不适合现场改造。这种结构的轴套不仅能保证阀门运行的精度，而且能在一定程度上减小由于摩擦副黏结或机械应力带来的不利影响。

图4 “带凸体轴套”改造方案

    上述改造方案侧重于解决蝶阀应用中阀杆卡涩问题，对解决或改善蝶阀的其他问题，如三偏心蝶阀应用中的“零泄漏”，也是有利的。

    4 蝶阀改造及运行实例

    威顿（中国）化工有限责任公司有2套400kt/a硫磺制酸装置，转化工序装有近20个蝶阀，分别来自国内外6个厂家。在使用过程中，几乎每个蝶阀都出现不同程度的卡涩问题，经过多次的维修、更新。在这 些蝶阀中，按上述改造方案整改的有9个（还有1个在计划之中），最早的一个已连续免维护运行了7年。转化工序蝶阀整改情况如表1所示。

表1 转化工序蝶阀整改情况

    注：①除HV1302（DN450）和HV302（DN450）为三偏心蝶阀外，其他均为同心蝶阀；

    ②在阀门改造中如涉及执行机构的更新，选用扭矩标称值均不超过1600N·m，其中包括2套三偏心蝶阀在内；

    ③“流畅运行至今”系指蝶阀本体未出现卡涩，不包括执行机构出现的卡涩；

    ④除了阀门更新外，其他改造活动均在现场完成，每个阀门改造需要3～5d，3人左右作业。

    5 结语

    硫酸装置转化工序蝶阀容易出现卡涩的情况说明，按照现有技术规范制造的蝶阀至少不能很好地适应类似硫酸装置转化工序这样的工艺条件，仅仅通过更换制造厂家或阀门材料难以保证理想的使用效果。采用新技术方案改造和制造的蝶阀，分布在转化工序工艺条件最恶劣之处，已经通过了工业化长周期运行的考验，而且是长周期免维护地流畅运行。但是，这些技术方案是否具有普遍的适应性还有待于证实和检验。建议丰富和完善现有蝶阀技术规范，使蝶阀在硫酸装置中得到广泛成功的应用。