進口高壓蒸汽減壓閥的國產(chǎn)化改造

鳳建剛

(神華寧夏煤業(yè)集團 烯烴一分公司，寧夏 銀川 750411)

某公司烯烴裝置高壓蒸汽減壓閥可將9.8 MPa蒸汽減壓至4.1 MPa后進入4.1 MPa蒸汽母管，供全廠中壓蒸汽用戶使用。該閥采用進口品牌，規(guī)格為DN200，Class2500，設(shè)計質(zhì)量流量170 t/h，材質(zhì)為12Cr1MoVG,采用焊接連接方式，先導閥芯結(jié)構(gòu)可以保證V級密封，執(zhí)行機構(gòu)配有熱備手動旁路。在實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)閥門振動大，并多次出現(xiàn)填料泄漏、閥桿震斷等現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，自2014年7月至2015年6月，該閥共發(fā)生各類故障46次，造成裝置降負荷13次，引起裝置跳車1次。該閥頻繁發(fā)生故障已嚴重威脅到了裝置的穩(wěn)定運行，為此該公司對高壓蒸汽減壓閥進行了一系列改造。

1　填料泄漏原因分析及改造措施

1.1　填料泄漏

填料泄漏的原因通常包括： 填料函內(nèi)壁粗糙度增大； 閥桿與推桿不同軸時，導致填料壓扁發(fā)生泄漏；閥桿表面加工精度不夠，粗糙度未達到要求；閥桿強度不夠，致使輸出力過大時，閥桿彎曲發(fā)生泄漏；填料函深度不夠，填料的規(guī)格與數(shù)量達不到要求，因而無法起到密封作用。

1.2　改造措施

該閥采用石墨成型填料，自投入使用以來，平均每月填料出現(xiàn)泄漏2次，通過查閱閥門設(shè)計相關(guān)資料，填料材質(zhì)選擇正確，但依據(jù)填料函深度理論計算公式：

式中：H——填料函深度,mm；p——密封壓力，MPa;D——填料函孔徑,mm；d——閥桿直徑，mm。

當p=10 MPa，D=41.5 mm，d=35.0 mm，經(jīng)計算該閥填料函深度理論值應(yīng)為30.7 mm，實測值僅為23.0 mm，根據(jù)計算結(jié)果得出泄漏的原因可能是填料函深度不夠。高壓蒸汽減壓閥閥門填料如圖1所示，該閥原設(shè)計填料為4組，閥桿側(cè)傾受力不對稱時，4組填料導向不足，單向擠壓后發(fā)生變形，高壓及高頻振動環(huán)境下極易出現(xiàn)填料泄漏。根據(jù)計算結(jié)果加深了填料函深度，并增加了2組填料，一方面增強了填料的導向功能；另一方面增加了填料壓縮量，增大了密封面積。改造后，該泄漏問題得以解決。

圖1　高壓蒸汽減壓閥閥門填料示意

2　執(zhí)行機構(gòu)故障原因分析及改造措施

2.1　執(zhí)行機構(gòu)故障原因分析

由于現(xiàn)場閥門振動大，閥門在使用過程中反復出現(xiàn)了閥門執(zhí)行機構(gòu)推桿和閥桿斷裂的情況，導致閥門失控，蒸汽管網(wǎng)壓力波動。后經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)推桿與閥桿不同心，在推桿與閥桿脫開自由伸展的情況下，推桿左右偏移量最大可達5 mm。若把推桿和閥桿通過連接螺母強行連接后，推桿會產(chǎn)生1個徑向作用力，該作用力長期在高頻振動環(huán)境下，會因金屬疲勞出現(xiàn)推桿或閥桿斷裂的情況。除加工制造問題外，該執(zhí)行機構(gòu)在設(shè)計上也存在如下缺陷：

1) 執(zhí)行機構(gòu)頂部手輪絲杠防轉(zhuǎn)壓板材質(zhì)薄弱，磨損后會造成絲杠轉(zhuǎn)動，導致執(zhí)行機構(gòu)推桿和閥桿不同心。

2) 執(zhí)行機構(gòu)彈簧無導向和固定措施，彈簧在伸縮過程中可以自由擺動，造成推桿上下動作不垂直，有傾斜現(xiàn)象，造成閥桿受力不均勻。

3) 執(zhí)行機構(gòu)推桿和閥桿連接螺母絲扣少，固定不牢固，振動情況下會造成螺絲松動，導致閥桿脫落。

2.2　改造措施

出現(xiàn)該問題的原因主要是執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計時推桿部分未考慮采用導向結(jié)構(gòu)形式，通過向中國閥門廠家咨詢，若在原有執(zhí)行機構(gòu)上進行改造，因執(zhí)行機構(gòu)先天設(shè)計不足改造空間有限，難以深入改造，該公司最終決定對執(zhí)行機構(gòu)重新選型。此次選型要求推桿與閥桿的連接形式必須由原來上下間隙對稱對夾式改為左右實體對稱對夾式，增加了連接塊有效夾緊面積，用來克服推桿側(cè)傾不同心力，同時還要考慮填料改造后增加的摩擦力。重新選型的執(zhí)行機構(gòu)，采用多彈簧式結(jié)構(gòu)設(shè)計，質(zhì)量輕、體積小、推力大、耐高溫，與原閥連接簡便，能夠確保閥門嚴密關(guān)斷。改造后該執(zhí)行機構(gòu)問題得以解決。

3　現(xiàn)場閥門振動大原因分析及改造措施

3.1　振動大原因分析

原閥門套筒分為上下兩部分，上套筒起導向作用，下套筒為條狀流量窗口，閥芯為先導式結(jié)構(gòu)。該閥閥前壓力9.8 MPa，閥后壓力4.1 MPa，關(guān)閉閥后壓力、工作壓差較大，在使用過程中閥門自身振動明顯，閥桿處振幅平均在318 μm/s左右，使用過程中除閥桿、推桿多次震斷外，還多次出現(xiàn)因振動導致固定螺栓松動、定位器故障等問題。

通過查閱閥門設(shè)計選型相關(guān)資料，閥門振動的原因主要來自于閥體本身產(chǎn)生的噪聲。閥門產(chǎn)生的噪聲有3種類型： 機械噪聲、液體動力噪聲、氣體動力噪聲。

1) 機械噪聲主要來自閥芯、閥桿和一些可以活動的零件，以及由于流體壓力波動、沖擊而產(chǎn)生的振動。

2) 液體動力噪聲是由于液體流過調(diào)節(jié)閥節(jié)流孔時，由于節(jié)流口面積的急劇變化，流通面積縮小，流速增大，流體靜壓力減小，因而容易產(chǎn)生阻塞流，進而產(chǎn)生閃蒸和空化的作用。

3) 氣體動力噪聲是氣體或蒸汽流過閥門節(jié)流孔時產(chǎn)生的。氣體和蒸汽都屬于可壓縮流體，當流速比聲速低時，噪聲是因為調(diào)節(jié)造成的紊流現(xiàn)象而產(chǎn)生的，當氣體的流速大于聲速時，流體中產(chǎn)生的沖擊波，導致噪聲加劇。根據(jù)閥門實際使用工況，重新計算閥門數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，閥內(nèi)流速最低為149 m/s,最高可達180 m/s，噪聲已超過100 dB，足以形成強大的破壞力，從而引起閥門強烈地振動。

3.2　改造措施

經(jīng)分析，閥門振動大的主要原因為套筒未采用降噪結(jié)構(gòu)，通過查找資料，噪聲的治理可以通過設(shè)計特殊的結(jié)構(gòu)，如降噪聲孔板、擴散式消聲器等，來減弱沖擊波并消弱噪聲。此次改造將下套筒由平行窄條套筒改為低噪音孔型套筒，用以減少紊流并在擴散面積上提供1個合適的速度分布，這種經(jīng)濟的獲得靜音閥門設(shè)計的方法可以減少10～20 dB噪聲，而閥門的流通能力稍有或沒有減少。另外，為提高平衡密封環(huán)耐高溫、耐振動的性能，改造時還將原閥芯上的平衡密封環(huán)槽由1道增加為2道，并將平衡密封環(huán)由原來的機械碳材質(zhì)改為高鎳鑄鐵材質(zhì)。閥門改造上線后，閥門振動大幅降低，閥桿處振幅下降到122 μm/s左右。

4　結(jié)束語

經(jīng)過由外及里、由簡到難的改造過程，陸續(xù)解決了閥門填料頻繁泄漏，執(zhí)行機構(gòu)推桿、閥桿多次斷裂，閥門振動大的問題，并為今后的閥門問題處理積累了豐富的實踐經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]楊源泉.閥門設(shè)計手冊[M].北京： 機械工業(yè)出版社，1992.

[2]全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站，全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會壓力管道分技術(shù)委員會.工業(yè)閥門選用指南[M].北京： 化學工業(yè)出版社，2014.

[3]陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京： 機械工業(yè)出版社,2007.

[4]吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊[M].北京： 化學工業(yè)出版社,2003.

[5]王渭.JB/T 12797—2016 煤化工裝置用閥門——技術(shù)條件[S].北京： 機械工業(yè)出版社 ，2016.

[6]樂精華 .鑄造不銹耐酸鋼的磁性分析[J].閥門，1997(01): 16-17.

[7]王漢克.自力式壓力調(diào)節(jié)閥在危險化學品領(lǐng)域防流體危險的對策[J].石油化工自動化，2017，53(01)： 66-68.

[8]馮璐，張璐璐.閃蒸工況兩相流調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計算[J].石油化工自動化，2017，53(04)： 19-21.

[9]李武，郝嬌山.高壓差精調(diào)型小流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計與仿真實驗驗證[J].石油化工自動化，2017，53(04)： 45-47.

[10]鄒殿超 .GE氣化爐鎖斗順控開關(guān)閥故障分析與解決方案[J].石油化工自動化，2017，53(05): 70-72.