超高溫高壓蒸汽放空閥國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

苗同立

(無(wú)錫市亞迪流體控制技術(shù)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214161)

大型空分裝置的蒸汽放空閥，對(duì)閥門材質(zhì)要求非常苛刻，應(yīng)能滿足壓力為9.8～13.5 MPa，溫度為520～540 ℃的超高壓蒸汽。空分裝置開車時(shí)，需要不斷放掉超壓蒸汽以保護(hù)空分裝置安全穩(wěn)定的開車。開車成功后，閥門需要嚴(yán)密關(guān)斷，否則將造成大量蒸汽的浪費(fèi)。

目前該工況的蒸汽放空閥大都采用進(jìn)口產(chǎn)品，但是進(jìn)口產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中也出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在閥門內(nèi)漏超標(biāo)、閥門打開速度較慢、閥門動(dòng)作卡澀及喘振、迷宮套筒沖散、閥內(nèi)件冷熱裂紋、閥桿閥芯脫落、閥座無(wú)法在線維修、噪音過(guò)大等問(wèn)題。

無(wú)錫市亞迪流體控制技術(shù)有限公司從2012年開始就針對(duì)這種苛刻工況進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究，并先后在一批煉化工程及煤化工項(xiàng)目中成功應(yīng)用國(guó)產(chǎn)化超高溫高壓蒸汽放空閥，解決了上述進(jìn)口產(chǎn)品的使用問(wèn)題，性能超過(guò)了同類型進(jìn)口產(chǎn)品，且已可以替代同類型進(jìn)口產(chǎn)品。

1 進(jìn)口蒸汽放空閥的使用問(wèn)題分析

根據(jù)多年維修同類進(jìn)口蒸汽放空閥的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得出同類進(jìn)口產(chǎn)品存在的主要問(wèn)題和原因，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用起到了關(guān)鍵性的作用。同類進(jìn)口產(chǎn)品出現(xiàn)的典型問(wèn)題和原因主要有以下幾個(gè)方面。

1.1 泄漏超標(biāo)

泄漏超標(biāo)主要體現(xiàn)在：

1)閥芯導(dǎo)向欠佳，進(jìn)口產(chǎn)品基本上都是上部導(dǎo)向，閥芯下部無(wú)導(dǎo)向或?qū)蚨蹋沟藐P(guān)閉時(shí)不能很好對(duì)中。

2)閥座與閥體密封墊圈采用石墨纏繞墊結(jié)構(gòu)，高溫下石墨蠕變導(dǎo)致密封失效；有的廠家采用閥座閥體焊接在一起的結(jié)構(gòu)，該原因忽略。

3)作用在閥座密封面上的分力不夠，由于出現(xiàn)閥門摩擦力增大卡澀現(xiàn)象，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在閥座密封面上預(yù)緊力不足導(dǎo)致密封面泄漏。

4)密封面無(wú)分流保護(hù)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致閥門打開時(shí)密封面處受高溫高壓蒸汽沖刷嚴(yán)重，密封面出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致泄漏。

1.2 動(dòng)作卡澀

動(dòng)作卡澀主要體現(xiàn)在：

1)套筒沒有采用迷宮降壓結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致閥門側(cè)向介質(zhì)沖擊力過(guò)大，閥芯偏移導(dǎo)致單側(cè)摩擦，摩擦力增大導(dǎo)致卡澀。

2)閥芯無(wú)下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大開度流量很大時(shí)，閥芯導(dǎo)向不好而卡澀。

3)設(shè)計(jì)間隙小，導(dǎo)致熱膨脹后的間隙太小導(dǎo)致動(dòng)作卡澀。

1.3 閥門喘振

閥門喘振主要體現(xiàn)在：

1)閥芯卡澀、摩擦力增大，導(dǎo)致先導(dǎo)閥芯和主閥芯之間中間開度動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)關(guān)閉或接近關(guān)閉的狀態(tài)，定位器給信號(hào)時(shí)，閥門無(wú)法找準(zhǔn)位置而發(fā)生喘振。

2)摩擦力太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作有過(guò)沖，摩擦力太小時(shí)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作太靈敏。

3)最小流量開度太小時(shí)會(huì)導(dǎo)致閥芯下部的節(jié)流面積小，流速很高，導(dǎo)致出現(xiàn)亂流現(xiàn)象使得閥芯動(dòng)作不穩(wěn)，因此發(fā)生喘振。

4)先導(dǎo)閥芯和主閥芯之間沒有預(yù)緊彈簧，導(dǎo)致動(dòng)作時(shí)先導(dǎo)閥芯很容易與主閥芯關(guān)閉，這樣會(huì)加劇動(dòng)作時(shí)先導(dǎo)閥芯的關(guān)閉和打開，導(dǎo)致喘振。

1.4 迷宮套筒沖散

迷宮套筒沖散主要體現(xiàn)在(有的廠家直接采用多孔套筒的除外)：

1)閥門大開度時(shí)，大流量蒸汽介質(zhì)對(duì)閥芯下部的迷宮套筒沖擊嚴(yán)重，導(dǎo)致迷宮套筒承受很大的剪切力，如果釬焊質(zhì)量不好，則容易沖散。

2)迷宮套筒除了每層釬焊之外，沒有采取其他措施加固，如增加加強(qiáng)銷釘?shù)却胧瑢?dǎo)致純粹靠釬焊的強(qiáng)度對(duì)抗高壓大流量介質(zhì)的沖刷。

3)迷宮套筒的設(shè)計(jì)位置不合理，有的廠家是把套筒放在閥座下面，導(dǎo)致閥前沒有降壓直接進(jìn)入到迷宮套筒內(nèi)，因此套筒內(nèi)部的底板承受很大的壓力，從而會(huì)導(dǎo)致釬焊處承受很大的壓力，高溫下釬焊強(qiáng)度降低導(dǎo)致失效。

1.5 閥桿閥芯脫落

閥桿閥芯脫落主要體現(xiàn)在：

1)先導(dǎo)閥芯和閥桿采用螺紋加口頭焊接或銷釘連接，頻繁的動(dòng)作和振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致焊縫的失效或銷釘?shù)募魯啵虼碎y桿會(huì)出現(xiàn)退絲現(xiàn)象，導(dǎo)致閥桿和先導(dǎo)閥芯的脫落，閥桿動(dòng)作時(shí)，無(wú)法打開閥芯進(jìn)行放空。

2)先導(dǎo)閥芯在主閥芯內(nèi)部的行程限位連接不合理，國(guó)外很多廠家大都采用行程壓板加螺栓連接或者采用內(nèi)置擋圈限位。壓板螺栓在開關(guān)過(guò)程中承受沖擊力，加上螺栓突出也承受來(lái)自介質(zhì)的沖擊，因此導(dǎo)致螺栓松動(dòng)導(dǎo)致先導(dǎo)閥芯和主閥芯的脫落；如果采用內(nèi)置擋圈，則擋圈也會(huì)承受開關(guān)過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)沖擊力導(dǎo)致薄擋圈失效而使得先導(dǎo)閥芯和主閥芯的脫落。

1.6 內(nèi)件冷熱裂紋

內(nèi)件冷熱裂紋主要體現(xiàn)在：

1)套筒沒有采用迷宮降壓結(jié)構(gòu)，造成大流量沖擊時(shí)，套筒底部承受巨大的壓差沖擊力，導(dǎo)致套筒底部容易產(chǎn)生沖擊應(yīng)力裂紋，但迷宮套筒成本高。

2)多孔式套筒的孔徑太大，套筒外徑被大孔分割的面積大，因此大流量沖擊時(shí)，套筒承受著比小孔設(shè)計(jì)時(shí)更大的沖擊力，但小孔加工的成本較高。

3)套筒、閥座、閥芯的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理。有的廠家把套筒放在下部、閥座及下延長(zhǎng)部分與閥體完全接觸、閥芯下延長(zhǎng)部分與閥座內(nèi)徑全長(zhǎng)接觸。閥門在長(zhǎng)期關(guān)閉時(shí)，套筒下部、閥座下部、閥芯下部處于冷態(tài)，一旦閥門打開，則會(huì)出現(xiàn)冷熱快速交換狀態(tài)，加上介質(zhì)的高壓高速?zèng)_擊，導(dǎo)致上述零件的下部出現(xiàn)冷熱裂紋現(xiàn)象。

1.7 閥座無(wú)法在線維修

很多國(guó)外閥門廠家的閥座和閥體都是焊接在一起加工的，沒有做成分體式結(jié)構(gòu)。由于閥蓋為自密封結(jié)構(gòu)，因此無(wú)法使用閥蓋壓緊內(nèi)件的方式壓緊閥座，分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

1.8 閥門速度太慢

閥門速度太慢主要體現(xiàn)在：

1)側(cè)向摩擦力大導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載增加，造成全行程動(dòng)作速度慢。

2)氣缸尺寸選擇大，閥門行程長(zhǎng)，導(dǎo)致打開全行程的體積大，加上附件配置不合理造成全開速度慢。

1.9 噪音過(guò)大

噪音過(guò)大主要體現(xiàn)在：

1)沒有采用迷宮套筒，很多國(guó)外廠家為了節(jié)省成本，大都采用多孔式結(jié)構(gòu)套筒。

2)閥座內(nèi)徑?jīng)]有分流結(jié)構(gòu)，很多國(guó)外廠家閥座內(nèi)孔是直接流向閥后管道的，閥座出口的流速極高，導(dǎo)致噪音很大。如果閥后有彎頭存在，則巨大的閥座內(nèi)徑出口流速會(huì)沖擊彎頭處，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械噪音很大。

2 工況分析

由于傳送介質(zhì)為高壓高溫過(guò)熱蒸汽，蒸汽溫度為520～540 ℃，閥前蒸汽壓力11～13 MPa，閥后蒸汽壓力1～1.5 MPa，閥后接有消音器，蒸汽流量最大400 t/h，閥門要求泄漏等級(jí)為FCI 70-2 Ⅴ級(jí)，閥門全行程時(shí)間小于2 s，管道材料為A335-P91。

空分裝置開車時(shí)，高壓高溫蒸汽為壓縮機(jī)組汽輪機(jī)運(yùn)行提供動(dòng)力，1根蒸汽母管上可能提供3套及以上的空分裝置汽輪機(jī)所需蒸汽量，蒸汽母管上設(shè)置蒸汽壓力放空閥。在壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，蒸汽放空閥起壓力調(diào)節(jié)作用；壓縮機(jī)故障時(shí)，蒸汽放空閥起快速放空泄壓作用。因此在開車時(shí)會(huì)頻繁進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，但一旦空分運(yùn)行穩(wěn)定后，蒸汽放空閥則完全關(guān)閉。

3 閥門主體結(jié)構(gòu)及材料選擇

由于閥門的使用工況非常苛刻，最大壓差達(dá)12 MPa，而且蒸汽流量很大，泄漏等級(jí)要求較高，為了達(dá)到V級(jí)泄漏乃至零泄漏的目的，閥門的主體結(jié)構(gòu)采用迷宮式套筒閥結(jié)構(gòu)，但又不同于普通的套筒閥結(jié)構(gòu)，必須具備自密封閥蓋結(jié)構(gòu)、先導(dǎo)自密封閥芯結(jié)構(gòu)、可拆卸式閥座、自密封閥座密封設(shè)計(jì)、防沖擊迷宮套筒結(jié)構(gòu)、降噪分流閥座等結(jié)構(gòu)。

閥門的主體承壓及控壓零件，基本都采用A182-F91材料，和管道材料及熱膨脹系數(shù)保持一致。閥桿材料選用熱強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)和主體材料一致的B637-Inconel 718材料。閥芯、閥座密封面及導(dǎo)向面采用堆焊Stellite 12合金，以滿足高溫高壓高流速的蒸汽介質(zhì)沖刷。

4 閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析

為了解決同類進(jìn)口產(chǎn)品在使用過(guò)程中的問(wèn)題，通過(guò)采取針對(duì)性設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)類似問(wèn)題的發(fā)生。

4.1 高壓差迷宮套筒在高流量下的防沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為迷宮套筒放在進(jìn)口型腔內(nèi)的設(shè)計(jì)，可避免放在閥座底部出現(xiàn)拉伸剪切應(yīng)力的問(wèn)題。同時(shí)在迷宮套筒外部增加防沖擊長(zhǎng)條外套筒結(jié)構(gòu)，避免了迷宮套筒的外圓承受直接沖擊，從根本上保護(hù)了迷宮套筒的耐沖刷能力。

4.2 閥桿與閥芯防脫落結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2所示為先導(dǎo)閥芯和閥桿采用一體式鍛造結(jié)構(gòu)，避免了采用螺紋加焊接結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)的退絲現(xiàn)象。同時(shí)在行程先導(dǎo)閥芯行程壓板和主閥芯采用螺紋加騎縫螺釘結(jié)構(gòu)，避免了采用突出螺釘?shù)乃蓜?dòng)，該先導(dǎo)閥芯結(jié)構(gòu)確保了Ⅴ級(jí)泄漏等級(jí)的實(shí)現(xiàn)。

圖1 組合迷宮套筒示意

圖2 先導(dǎo)閥芯組裝示意

4.3 可拆卸式閥座設(shè)計(jì)

由于閥蓋采用自密封結(jié)構(gòu)，因此閥座要實(shí)現(xiàn)可拆卸式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可拆卸式閥座結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 可拆卸式閥座結(jié)構(gòu)示意

分布在閥座上部的螺釘通過(guò)四分環(huán)壓緊閥座，內(nèi)置的碟簧防松結(jié)構(gòu)可確保閥座在開關(guān)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。

4.4 閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于石墨纏繞墊一方面需要很大的預(yù)緊力，另一方面石墨在高溫下容易產(chǎn)生高溫蠕變，從而降低了密封性能。因此設(shè)計(jì)了圖4所示的金屬自密封結(jié)構(gòu)閥座密封環(huán)，特殊結(jié)構(gòu)的自密封環(huán)依靠介質(zhì)的壓力產(chǎn)生自密封效果。密封環(huán)采用圖3所示的螺釘提供預(yù)緊比壓，靠關(guān)閉時(shí)閥座密封線和密封環(huán)密封線之間的面積差產(chǎn)生自密封效果，從而杜絕了閥座與閥體處的泄漏，確保了Ⅴ級(jí)泄漏等級(jí)。

圖4 閥座自密封結(jié)構(gòu)示意

4.5 閥芯底部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，閥芯底部加長(zhǎng)導(dǎo)向，一方面起到大開度下的穩(wěn)定導(dǎo)向作用，減少了閥芯側(cè)向摩擦力，另一方面可對(duì)流體起到分流作用，減少了對(duì)閥座密封面的沖刷，從而確保了閥芯閥座密封面的壽命，也確保了閥門泄漏等級(jí)的實(shí)現(xiàn)。

4.6 套筒閥芯閥座等內(nèi)件的防冷熱裂紋設(shè)計(jì)

如圖1所示，在迷宮套筒外部增加1個(gè)保護(hù)套筒，使迷宮套筒避免承受長(zhǎng)期關(guān)閉突然打開時(shí)的介質(zhì)沖擊力，從而避免迷宮套筒產(chǎn)生裂紋影響使用。

如圖4所示，閥座外徑與閥體導(dǎo)向接觸部分采用兩側(cè)導(dǎo)向中間內(nèi)凹槽的設(shè)計(jì)，閥門長(zhǎng)期關(guān)閉時(shí)，整個(gè)閥座除了自密封環(huán)和上下兩處短導(dǎo)向接觸外，閥座和閥體基本不接觸，因此閥座上部的蒸汽熱量很容易通過(guò)上部傳遞到閥座下部，使得保持整個(gè)閥座的上下受熱均勻，因此突然打開時(shí)不會(huì)出現(xiàn)冷熱交變狀態(tài)，避免了出現(xiàn)冷熱交變應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋現(xiàn)象。如果閥座外徑和閥體采用全部導(dǎo)向，則閥座上部的熱量傳遞到閥座時(shí)，很容易通過(guò)熱傳導(dǎo)和下部冷的閥體換熱，從而導(dǎo)致閥座下部無(wú)法加熱的問(wèn)題；閥芯下部設(shè)計(jì)原理同閥座，也是采用虛開槽設(shè)計(jì)的原理確保整個(gè)閥芯上下的溫度均勻。

4.7 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

如分流閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速動(dòng)作的夾塊夾持PEEK材料導(dǎo)向零件設(shè)計(jì)、附件分體式安裝等，都確保了噪音的降低、快速動(dòng)作的穩(wěn)定運(yùn)行等；同時(shí)進(jìn)行了高溫下熱膨脹后的間隙計(jì)算、閥芯動(dòng)作的防喘振計(jì)算等。

5 閥門各種工況下的有限元分析

對(duì)以下4種工況使用CFD和ANSYS等軟件進(jìn)行有限元分析：

1)閥門長(zhǎng)期關(guān)閉，突然打開的工況。

2)頻繁開停車，多次開關(guān)后的機(jī)械性能。

3)閥門冷態(tài)，閥前閘閥突然打開，高溫高壓介質(zhì)流入到放空閥內(nèi)。

4)閥門內(nèi)部溫度壓力流速分布曲線。

得出優(yōu)化的設(shè)計(jì)模型，從而更加確保現(xiàn)場(chǎng)各種工況的安全使用和穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)多次成功應(yīng)用在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，產(chǎn)品優(yōu)良的使用性能得到了客戶的一致認(rèn)可。產(chǎn)品不僅可以用在蒸汽放空閥場(chǎng)合，同時(shí)也可以推廣到大型減溫減壓器、蒸汽旁排閥等重要場(chǎng)合，以及可以廣泛應(yīng)用到大型空分裝置、乙烯等高溫高壓蒸汽場(chǎng)合。