半水-二水法磷酸裝置中控制閥的選型

黃凱

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

半水-二水法磷酸裝置中控制閥的選型

黃凱

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

簡述了半水-二水法磷酸的工藝及腐蝕特點，半水-二水法相比二水法在局部工況，尤其是在半水反應、半水過濾部分，料漿中P2O5的質量分數和溫度較高，對閥門的磨損和腐蝕強度更大，對控制閥的選型提出了更高的要求。重點研究了各腐蝕性介質中隔膜控制閥和旋塞閥的材質選擇，并結合控制閥在兩個工程中的實際應用情況，給出了半水-二水法磷酸裝置中各腐蝕性介質的控制閥選型意見。

半水-二水法 磷酸控制閥 旋塞閥

常見的磷酸制備方法有半水法、二水法、半水-二水法等，目前中國大部分磷酸裝置為二水法磷酸裝置。盡管半水-二水法采用二次結晶技術相比二水法具有能耗低、磷的回收率高、磷石膏品質好的優點，但因缺乏經驗長期得不到廣泛運用。隨著國家對節能減排及環保要求越來越高，國內二水法磷酸裝置生產的磷酸由于含雜質多、處理成本高、蒸汽消耗量大等弊端凸顯，與此同時，國內外一些半水-二水法裝置通過長期摸索和改進，都已實現了裝置的大型化并且穩定運行[1-2]。工業和信息化部《產業關鍵性技術發展指南(2015年)》中確定優先發展的化工類技術就有“采用半水-二水法工藝對現行二水濕法磷酸工藝改造”項目，并明確指出半水-二水法磷酸生產工藝是濕法磷酸轉型升級的方向[3]。

控制閥對于磷酸裝置的過程控制及穩定運行起著至關重要的作用，因半水-二水法的工藝特性，相比二水法對設備材料有著更高的要求，盡管對半水-二水法磷酸裝置中關鍵設備和泵的選材已有相關文獻報道[1-2,4-6]，但尚缺少對于控制閥選型的應用總結。結合印度尼西亞某2套大型半水-二水法磷酸裝置中控制閥的使用情況，筆者給出了各腐蝕性介質的控制閥選型建議。

1 半水-二水法工藝特點及腐蝕原因

1.1半水-二水法工藝特點

半水-二水法磷酸工藝主要包括： 半水反應、半水過濾、二水轉化、二水過濾、氟回收、濃縮等主要工序[1]。工藝流程簡圖如圖1所示。

磷礦與濃硫酸經過雙重反應結晶并分別過濾，半水料漿經半水過濾機過濾后的稀酸再濃縮得到成品酸，二水料漿經二水過濾機過濾得到磷石膏，半水反應和濃縮階段閃蒸真空氣體中的氟化物通過氟回收工序得到氟硅酸。該工藝半水反應過程中，料漿中P2O5的質量分數為40%，料漿溫度為95℃，而二水法中P2O5的質量分數為30%，料漿溫度為80℃。因此，半水-二水法相比二水法在局部工況，尤其是在半水反應、半水過濾部分，料漿中P2O5的質量分數和溫度較高，對閥門的磨損和腐蝕強度更大，這對控制閥的選型提出了更高的要求。

圖1 半水-二水法磷酸工藝流程示意

1.2腐蝕原因

磷酸本身的腐蝕性并不強，但酸中所含的硫酸、氫氟酸、氟硅酸和氯化物等雜質，使其具有了較強的腐蝕性。為了使磷礦完全分解需加入過量的硫酸，過量的硫酸會增加磷酸的酸度，降低溶液的pH值，使不銹鋼表面鈍化難度加大；氟離子半徑較小，可以與許多金屬離子形成絡合物從而減慢不銹鋼表面的鈍化速度；氯離子能吸附在金屬表面阻礙金屬表面鈍化膜的生成，使金屬表面形成點蝕，在硫酸、氟、氯的共同作用下就增強了介質對不銹鋼材料的腐蝕。同時，漿料中的硫酸鈣結晶等固體粒子對金屬表面的沖刷也會加速腐蝕[7]。因此，在控制閥的選型過程中，應同時關注所選材料的抗腐蝕性和耐磨能力。

2 半水-二水法工藝控制閥選型

2.1控制閥類型

對于半水-二水法磷酸工藝中的非腐蝕性介質，如空氣、蒸汽、工藝水、冷凝液等，在控制閥的選型上與其他化工裝置類似，一般優先選用球形閥，閥門材質可根據管道材質選材，本文不再贅述。本文主要討論半水-二水法磷酸工藝中腐蝕性介質，即不同工段的磷酸料漿、濃硫酸、氟硅酸和各種酸水中的控制閥選型。

根據SH/T 3005—2016《石油化工自動化儀表選型設計規范》[8]10.1.2.4條規定：“隔膜控制閥宜用于強腐蝕性、高黏度、含懸浮顆粒和纖維的介質及在流量特性要求不嚴等場合，但不宜用于工作溫度高于150℃、工作壓力高于1MPa的場合；旋塞閥宜用于高黏度、漿料及強腐蝕性介質的場合”。磷酸工藝中腐蝕性介質具有溫度和壓力都不高、強腐蝕性和含固體顆粒的特征，這與隔膜閥和旋塞閥的適用場合相符。

而且隔膜閥和旋塞閥的結構形式比普通閥門更簡單，具有質量輕、易于拆卸和維護的優點。

1) 隔膜閥。采用耐腐蝕襯里的閥體和耐腐蝕隔膜代替閥芯組件，利用閥桿帶動隔膜上下移動來實現調節作用。

2) 旋塞閥。通過旋轉帶通孔的塞體，調節與閥體通道口的夾角實現調節目的。

這2種閥門均具有流體阻力小、流通能力強的特點，因而非常適用于磷酸工藝。另外，隔膜閥閥座主要有堰式和直通式結構，因堰式結構比直通式具有更長的密封面，能更好地實現開關和調節性能，所以隔膜控制閥較多采用堰式結構。

2.2隔膜閥選材

隔膜閥閥體襯里材質有橡膠、玻璃和塑料3種類型。

1) 玻璃不耐氫氟酸腐蝕，因而不能使用。

2) 橡膠襯里的耐磨損性能要比塑料強，但耐腐蝕性要差一些；橡膠襯里中的氯丁橡膠(Neoprene)和丁基橡膠(Butyl)的使用溫度都可達到-10～105 ℃，能耐磷酸和氟硅酸的腐蝕，但不能用于濃硫酸介質；對于磷酸裝置中的磷酸料漿、氟硅酸和酸水介質可以選用。相應的隔膜材質可選用丁基橡膠(Butyl)和海帕倫(Hypalon)。

3) 塑料襯里中的全氟代烷氧基(PFA)、乙烯四氟乙烯(ETFE)和聚偏氟乙烯(PVDF)都具有極好的化學穩定性，適用于磷酸裝置的所有腐蝕性介質。相應的隔膜材質可選用ETFE類塑料。

2.3旋塞閥選材

磷酸裝置中旋塞閥常用的不銹鋼和合金材料有316L，904L，CD4MCu，Alloy 20和Hastelloy C-276，各自對應的化學成分見表1所列。

不銹鋼的耐腐蝕性能主要取決于合金元素的質量分數，研究表明Cr和Mo是提高不銹鋼耐磷酸腐蝕的主要合金元素[9]。Cr可提高不銹鋼的鈍化傾向，當不銹鋼中Cr質量分數在17%以上時能自鈍化。Mo具有很強的鈍化能力，能促進不銹鋼鈍化，使其表面生成復雜穩定的氧化膜，這種氧化膜能有效地抑制磷酸腐蝕性介質中氯離子引起的點蝕。Ni的主要作用是改善不銹鋼的力學性能和成型、焊接等工藝性能，對耐腐蝕性能影響不大，并且Ni是影響不銹鋼成本和價格的主要因素。綜合考慮旋塞閥的抗腐蝕能力和經濟性，應優先選用高Cr低Ni合金材料[10-11]。另外，當磷礦中氯離子質量濃度較高時還應綜合考慮選用Mo含量更高的合金材料[4]。

表1 磷酸裝置旋塞閥常用材料的化學成分 %

普通奧氏體不銹鋼316L的耐腐蝕能力在磷酸裝置中屬于中下水平，且耐磨性較差，只能在氯離子質量濃度小于300mg/L的磷酸料漿中具有較好的耐腐蝕性。高合金奧氏體不銹鋼904L的耐腐蝕性能高于316L，可用于氯離子質量濃度小于1000mg/L的磷酸料漿，耐磨性能一般，不適用于磨損嚴重的場合[10]。雙相不銹鋼CD4MCu的耐腐蝕性能優于904L，且硬度很高具有良好的耐磨性，并且價格低于904L。

在半水-二水法磷酸中，因在半水反應、半水過濾、二水轉化、二水過濾階段磷酸料漿的含固量較大，應優先選用耐磨能力好且價格相對經濟的CD4MCu材質的旋塞閥。對于氟回收工序的氟硅酸介質，正常工況下為液態，介質中基本無含固量，也可選用CD4MCu材質的旋塞閥。濃縮階段磷酸中含固量少，若氯離子質量濃度較高時應優先采用Mo含量相對較高的904L材質的旋塞閥。對于各種含酸量很少的酸水介質，考慮節省投資可以采用316L材質的旋塞閥。對于濃硫酸介質，Alloy 20和Hastelloy C-276都具有很好的耐腐蝕性，為節約成本，一般選用Alloy 20材質的旋塞閥或閥體采用Alloy 20材質，閥芯采用Hastelloy C-276材質的旋塞閥。

3 工程應用情況

中國五環工程有限公司在國外總承包建設了2套大型半水-二水法磷酸裝置A和B。裝置B中控制閥較多采用隔膜閥，在項目質保期內出現了較多損壞情況，現將部分損壞控制閥與裝置A中相同位號控制閥的選型進行對比，見表2所列。

表2 裝置B中損壞控制閥與裝置A中對應閥門的選型對比

表2中裝置B中的6臺閥門均為堰式隔膜閥，質保期內均出現了多次閥體襯里層的堰體部位被磨破而造成閥體腐蝕穿孔的情況。在裝置A中均為金屬閥門，對于磷酸介質采用的是CD4MCu材質旋塞閥，酸水介質采用的是316材質Globe閥，項目質保期內使用情況良好。

從表2可以看出，損壞的隔膜閥集中在半水反應、半水過濾、二水過濾階段，與上文提到的在這些階段磷酸料漿含固量較大對設備磨蝕嚴重的情況相符。濃縮部分雖然磷酸含固少，但有溫度壓力較高的工況，在介質流速很快時，也易造成隔膜閥堰體部位磨損。而且因半水-二水法工藝磷酸料漿含固量大，部分設備和管道一般在連續開車一周后就需要停車進行清洗，在頻繁的開停車過程中控制閥長期處在小開度運行狀態，這也加重了料漿對隔膜閥堰體部位的磨損。當隔膜閥襯里損壞時，閥體會被迅速腐蝕穿孔而造成磷酸泄漏，對裝置的正常平穩運行影響很大。

結合2套裝置中控制閥的使用情況，筆者認為對于半水-二水法磷酸裝置中的含固腐蝕性介質，為提高閥門運行的可靠性，應優先選用金屬閥門，推薦采用CD4MCu材質旋塞閥。

4 結束語

半水-二水法的磷酸料漿比傳統二水法具有更強的腐蝕性和更高的含固量，在控制閥選型時，除了需關注所選材料的抗腐蝕性外，還應重點關注材料的耐磨能力。各腐蝕性介質的控制閥選型建議如下：

1) 對于各工藝階段的磷酸料漿，應優先選用CD4MCu材質旋塞閥，但當磷酸料漿中氯離子質量濃度較高時旋塞閥材質應考慮選用Mo含量更高的合金材料，不宜采用隔膜閥。

2) 對于酸水介質也應優先選用CD4MCu材質旋塞閥，為降低成本也可采用316L材質旋塞閥。

3) 氟硅酸管線可選用CD4MCu材質旋塞閥，也可采用隔膜閥。

4) 濃硫酸管線推薦采用Alloy 20材質旋塞閥。

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TypeSelectionofControlValveinHemi-dihydrateProcessofPhosphoricAcidPlant

Huang Kai

(Wuhuan Engineering Co. Ltd., Wuhan, 430223, China)

The process and the corrosion features for hemi-dihydrate (HDH) PA are introduced briefly. Due to higher mass fraction of P2O5and higher temperature in Hemihydrate reaction and filtration section of HDH process, valves bear worse abrasion and corrosion compared with dihydrate process, which brings higher requirements for control valve type selection. The material selection for diaphragm valve and plug valve in various corrosive mediums is emphatically studied. Combining with practical application in the two HDH projects, suggestions of type selection of regulating valve applied to all corrosive mediums are provided for HDH PA installation.

hemi-dihydrate (HDH) process； phosphoric acid regulating valve； plug valve

TH138.52

B

1007-7324(2017)05-0056-04

稿件收到日期： 2017-05-26，修改稿收到日期2017-07-28。

黃凱(1986—)，男，湖北仙桃人，2011年畢業于中南大學控制科學與工程專業，獲碩士學位，現就職于中國五環工程有限公司，主要從事石油化工工程自控設計工作，任工程師。