高压加氢装置高压差调节阀设计应注意的几个问题

摘要：结合加氢装置高压差调节阀的应用场合，重点介绍高压差调节阀选型中应注意的问题；降压级数及泄漏等级的选择；阀体及阀内径材料选择；材料的检验和试验。

关键词：多级降压阀、闪蒸、空化、气蚀、风险矩阵、安全仪表功能

中图分类号：TH134

0、引言

在炼油化工装置中，高压加氢装置不仅工艺复杂，介质易燃、易爆，且在高温、高压、临氢下操作，因此高压调节阀，尤其是高压差调节阀的选型非常重要，选型不当，不仅调节效果不好，使用寿命也会受到影响，甚至影响装置的安全生产和平稳运行。本文结合加氢装置高压差调节阀的应用场合，重点介绍高压差调节阀选型中应注意的问题。

1、加氢装置高压差调节阀的主要应用场合和选型

1.1、高压进料泵小流量返回线场合调节阀

1.1.1、工艺特点

高压进料泵把来自缓冲罐的原料油加压到反应系统需要的压力。在原料泵达到它的机械最小流量之前，泵出口的小流量返回线上的调节阀打开把油送回缓冲罐，保持通过泵的流量在泵的安全流量之上，正常生产时该阀应处于关闭状态。

1.1.2、调节阀选型

该阀在每套加氢装置中属于压降最高的调节阀，由于原料油一般较粘稠，该调节阀不宜选用迷宫式结构（迷宫式结构在高压降和粘稠介质场合，阀门尺寸、所需安装空间、价格等都远高于一般多级降压阀，且压降越高、介质越粘稠相差越大，易被污物堵塞），应选用流道较为畅通的多级降压阀芯结构型式的直通或角型调节阀，使每级阀芯上的降压都保证不使每级缩流处压力低于该液体的饱和蒸汽压而出现汽化闪蒸，并选择耐磨、抗冲刷材质的阀内件。

1.1.3、最大关闭压力的选择

由于高压进料泵一般为多级离心泵，每台泵的实际特性曲线相差较大，因此计算出的最大关闭压力会相差很大（有的甚至达到正常操作压力的1.5倍），因此在选阀时最大关闭压力应按已订货泵的实际特性曲线计算为准，否则所选调节阀执行机构推力和耐压等级可能不够。

1.2、热高压分离器至热低压分离器液位调节阀

1.2.1、工艺特点

经过加氢反应后的原料油进入热高压分离器进行气液分离，自热高压分离器底部出来的热高分油在液位控制下直接进入热低压分离器，或分二路，其中一路直接进入热低压分离器，另一路经加氢进料泵主泵所配的液力透平回收能量后进入热低压分离器。由于该部位处于高温、高压差场合，气体中含有大量的H2、轻烃类物质和H2S，这类物质在高压下会融入液体中，在经过调节阀降压的同时析出，小分子H2、轻烃类物质和H2S降压后会急剧膨胀，在调节阀出口可能形成堵塞， H2和H2S在高温、高压下会给调节阀带来严重的腐蚀问题，当调节阀出现故障热高压分离器液位无法控制阀时，会造成严重的事故，液位过高热高分油冒顶进入高压空冷器等下游设备造成堵塞，液位过低易脱空使高压气体串压损坏低压设备，严重的可能造成巨大的破坏事故，因此该部位的调节阀选型非常重要。

1.2.2、调节阀选项

该阀属于高温、高压、高腐蚀场合，存在严重闪蒸、空化和气蚀问题，同时热高分液可能含有部分催化剂颗粒，该调节阀也不宜选用迷宫式结构，应选用流道更为畅通的多级降压阀芯结构型式的角型调节阀（如Masoneilan77000或FisherDST-G trim），采用扩大出口尺寸、改变流体方向、控制介质流速、选择耐腐蚀、耐磨、抗冲刷材质的阀内件等措施。

鉴于该部位调节阀重要性，在直接进入热低压分离器的管道上，建议选用二套调节阀互为备用，当热高分油在液位控制下直接进入热低压分离器时，二台调节阀的口径相同，当热高分油在液位控制下经加氢进料泵主泵所配的液力透平回收能量后进入热低压分离器时，考虑到尽量利用液力透平回收能量，二台调节阀可考虑采用一大一小方式，当流经液力透平的流量满足不了液位控制要求时，可先开小阀，若小阀全开仍满足不了液位控制要求时或液力透平故障时再开大阀。

1.2.3、最大关闭压力的选择

由于整个反应系统压力波动较小，此阀的最大关闭压力可按阀前压力再加10～15%的系数即可。

1.3、循环氢脱硫塔至富胺液闪蒸罐液位调节阀

1.3.1、工艺特点

循环氢脱硫塔底富胺液在液位控制下直接进入富胺液闪蒸罐，或分二路，其中一路直接进入富胺液闪蒸罐，另一路经贫溶剂泵主泵所配液力透平回收能量后进入富胺液闪蒸罐。由于该部位处于高压场合，富胺液中吸收了大量的H2S，在经过调节阀降压的同时会有部分H2S析出膨胀，H2S在高压下会给调节阀带来腐蚀问题，当调节阀出现故障循环氢脱硫塔液位无法控制阀时，会造成严重的事故，液位过高冷高分油冒顶进入下游设备及循环氢压缩机，造成循环氢压缩机损坏，液位过低易脱空使高压气体串压损坏低压设备，因此该部位的调节阀选型也非常重要。

1.3.2、调节阀选项

该阀属于高压场合，存在严重闪蒸、空化和气蚀问题，应选用多级降压阀芯结构型式的角型调节阀，合理设计调节阀的流体通道，选择耐磨、抗冲刷材质的阀内件。

由于该部位调节阀比较重要，在直接进入富胺液闪蒸罐的管道上，建议选用二套调节阀互为备用，当富胺液在液位控制下直接进入富胺液闪蒸罐时，二台调节阀的口径相同，当富胺液在液位控制下经贫溶剂泵主泵所配的液力透平回收能量后进入富胺液闪蒸罐时，考虑到尽量利用液力透平回收能量，二台调节阀可考虑一大一小，当流经液力透平的流量满足不了液位控制要求时，可先开小阀，若小阀全开仍满足不了液位控制要求或液力透平故障时再开大阀。

1.3.3、最大关闭压力的选择

由于整个反应系统压力波动较小，此阀的最大关闭压力可按阀前压力再加10～15%的系数即可。

1.4、高压分液罐至低压分液罐液位调节阀

1.4.1、工艺特点

在加氢装置中有不少高压分液罐，如循环氢脱硫塔入口分液罐、循环氢压缩机入口分液罐、新氢压缩机级间分液罐等，该部位调节阀处于低压分界场合，由于液体量较少，调节阀常处于小开度下工作，很容易发生振荡和超调，使高压气体串入下游低压设备，造成危害。

1.4.2、调节阀选项

该阀属于高压差场合，可能存在闪蒸、空化和气蚀问题，应选用多级降压阀芯结构型式的角型调节阀，选择耐磨、抗冲刷材质的阀内件。

该部位调节阀建议选用二台调节阀互为备用，当凝液量较少时可选一台调节阀，同时并联一台相同阀芯结构的手阀，当凝液量少到无法自动调节时，可选用一台多级降压手阀即可或调节阀配电磁阀施行二位式控制。

1.4.3、最大关闭压力的选择

由于整个反应系统压力波动较小，此阀的最大关闭压力可按阀前压力再加10～15%的系数即可。

2、降压级数及泄漏等级的选择

关于降压级数的选择，理论上应使每级压降都保证不使每级缩流处压力低于该液体的饱和蒸汽压。但对于炼油化工装置来说，除了进料和产品外，中间产物一般是一个混合物，饱和蒸汽压工艺很难提准。尤其是上述提到的高压差部位的调节阀，在经过调节阀降压的过程中会有部分气体析出或多或少都存在着闪蒸、空化和气蚀等问题。

对于装置进料、水和工艺能准确给出饱和蒸汽压且较低的介质等，建议选用3MPa左右压差为一个降压级数；即当压差P

对于热高压分离器至热低压分离器液位调节阀、循环氢脱硫塔至富胺液闪蒸罐液位调节阀、冷高压分离器至冷低压分离器液位调节阀，建议压差P≥6MPa就选择6级降压阀芯（因为对于渣油蜡油加氢装置来说，装置本身操作压力会很高，对于柴油加氢装置来说，虽然操作压力相对较低，但油品较轻，汽化量也会随着增加），这样会相对延长阀的使用寿命。

考虑到多级降压阀流量越小对阀门造成冲击损坏越大，为确保阀门在关闭状态下无流量通过，因此建议所有多级降压阀的阀座泄漏等级应按ANSI V级考虑。

阀门制作商应根据ANSI B16.104/FCI 70.2标准程序对所有阀进行阀座泄漏试验，并提供试验合格证。

3、阀体及阀内径材料选择

3.1、常用的阀体材料：

对于高温、高压临氢介质材料的选择一般以Nelson曲线为基准：

温度230℃以下，可选用ASTM A216 WCB铸造碳钢或A182 G2锻造碳钢；

温度290℃以下，可选用ASTM A217 WC6铸造Cr-Mo钢或A182 F11锻造Cr-Mo钢；

温度370℃以下，可选用ASTM A217 WC9铸造Cr-Mo钢或A182 F22锻造Cr-Mo钢；

温度370℃以上，可选用ASTM A351 CF8C铸造347不锈钢或A182 F347锻造347不锈钢；

阀体材质应符合有关ASTM材料的规定，阀体材质硬度不应超过180HB

另外，阀体材料和温度-压力等级的选择不得低于管道专业所选阀门的材质和压力等级。

3.2、常用的阀内件材料

3.2.1、阀杆材料

非腐蚀性液体、气体和蒸汽可选用：410、416、440、CA6NM、17-4PH等；

腐蚀性液体、气体根据介质特性可分别选用：316堆焊或喷涂Stellite等硬质合金、347堆焊或喷涂Ultimet等硬质合金、Nitronic 50 （XM-19/FXM-19）。

3.2.2、阀芯材料

非腐蚀性液体、气体和蒸汽可选用：410、416、440、CA6NM、17-4PH等；

腐蚀性液体、气体根据介质特性可选用：316堆焊或喷涂Stellite等硬质合金、347堆焊或喷涂Ultimet等硬质合金、Inconel 718 ASTM B637 GR7178。

3.2.3、阀座材料

非腐蚀性液体、气体和蒸汽可选用：410、416、440、CA6NM、17-4PH等；

腐蚀性液体、气体根据介质特性可选用：316堆焊或喷涂Stellite、Ultimet等硬质合金、347堆焊或喷涂Ultimet等硬质合金、Ferralium255 ASTMA479 Duplex St.Steel。

阀内件材料应与阀体材料相匹配，符合NACE MR01-75规定。

4、防腐处理：含有活性流及H2S介质的调节阀应进行NACE处理，与工艺介质接触部件应符合NACE MR01-75规定，钢材的屈服极限大于490MPa，同时必须是镇静钢，硫、磷有害杂质元素的含量（质量）应分别小于0.02%，碳钢和低合金钢应热处理到HRC22的最高硬度，奥氏体不锈钢在退火条件下即可抵抗硫化应力裂纹，其他不锈钢硬度应处理到HRC35，NACE阀门应进行硬度测试并提供测试合格证。

5、材料的检验和试验

材料的检验和试验应按ASTM 有关标准执行。

5.1、硫、磷有害杂质元素的含量应分别小于0.02%；

5.2、对碳素钢应进行正火热处理；对合金钢应进行正火+回火热处理；对奥氏体不锈钢应进行固溶化+稳定化热处理；

5.3、每批材料（指同批号、同材质、同规格、同炉号、同热处理条件）至少抽验一次化学成份和机械性能试验，试验结果应符合ASTM标准的要求；

5.4、每批材料至少抽验一次金相结构和浸蚀试验；

5.5、对承压部件的焊接端部和应力集中区域，应逐件进行液体渗透检查；

5.6、锻件承压部件（包括阀杆），应逐件进行超声波检查；铸件承压部件，应逐件进行射线检查；

5.7、压部件的焊接端部和应力集中区域，应逐件进行磁粉检查；

5.8、任何锻件承压部件的缺陷不允许焊补修复；承压铸件的缺陷（深度不大于0.8mm的微裂纹，才允许研磨清除）不允许焊补修复。

6、结束语

总上所述，加氢装置高压差调节阀应根据不同的工况条件、含腐蚀性介质成份、工作压差和关闭压差、饱和蒸汽压等条件综合各种因素和各种材料的温度-压力等级来选择，才能保证装置长周期安全运行。

参考文献：

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