高壓蒸汽放空閥設(shè)計(jì)選型探討

葉勝利

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230002)

大型空分裝置的高壓蒸汽放空閥作為蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的重要流體控制設(shè)備之一，使用工況非常嚴(yán)苛，需要滿足壓力為9.8～13.5 MPa、溫度為520～540 ℃的高溫高壓蒸汽的安全放空。合理選型是保證其可靠性、穩(wěn)定性、使用壽命的前提，也是影響空分裝置及蒸汽管網(wǎng)能否安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。本文將對蒸汽放空閥在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合相關(guān)理論分析探討放空閥的設(shè)計(jì)選型。

1 應(yīng)用工況簡介

典型高壓蒸汽放空閥工藝流程如圖1所示。高壓蒸汽為空分裝置壓縮機(jī)組提供動(dòng)力，根據(jù)空分裝置所需蒸汽量在蒸汽主管上設(shè)置蒸汽放空閥，該閥在壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)起壓力調(diào)節(jié)作用，在壓縮機(jī)組跳車時(shí)及時(shí)響應(yīng)并快速泄放相應(yīng)的蒸汽量，維持蒸汽管網(wǎng)的穩(wěn)定。因此，在開車時(shí)該閥動(dòng)作頻繁，在空分裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，則需要該閥完全關(guān)閉。

該閥使用工況苛刻，具有溫度高、放空壓差大、關(guān)閉壓差高、響應(yīng)速度快、蒸汽短時(shí)間泄放量大等特點(diǎn)。因此，該閥故障率相對偏高，且對高可靠性、低泄漏量、低噪音有更高的要求。

圖1 典型高壓蒸汽放空閥工藝流程示意

2 應(yīng)用中的常見問題

1)填料泄漏。閥門填料用于閥桿與閥蓋之間的密封，泄漏原因主要有以下幾個(gè)方面[1]： 閥桿與推桿不同軸導(dǎo)致填料變形發(fā)生的泄漏，閥桿強(qiáng)度不夠?qū)е麻y桿發(fā)生彎曲引起的泄漏，填料函規(guī)格與深度不夠?qū)е碌男孤?/p>

2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿或閥桿斷裂。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿與閥桿出現(xiàn)偏心時(shí)，推桿存在左右偏移量，此時(shí)推桿會(huì)產(chǎn)生徑向作用力。因蒸汽放空閥長期處于高頻振動(dòng)的環(huán)境，徑向作用力會(huì)導(dǎo)致推桿或者閥桿出現(xiàn)金屬疲勞，進(jìn)而出現(xiàn)斷裂情況。

3)動(dòng)作卡澀。閥門出現(xiàn)動(dòng)作卡澀主要包含以下幾個(gè)方面： 閥芯導(dǎo)向性不好，大流量時(shí)易出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象；閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，閥門側(cè)向介質(zhì)沖擊力大、閥芯偏移導(dǎo)致的卡澀；閥內(nèi)件選材不合理，熱膨脹系數(shù)差距較大導(dǎo)致間隙過小，從而發(fā)生卡澀。

4)閥門泄漏超標(biāo)。泄漏超標(biāo)是放空閥常見故障之一，主要包含以下幾種原因[2]：

a)對于閥體和閥座采用分體式結(jié)構(gòu)的閥門，閥座密封環(huán)通常采用填料進(jìn)行壓緊，當(dāng)閥座密封環(huán)受到介質(zhì)持續(xù)沖刷，造成填料松動(dòng)，或采用的石墨密封圈在高溫下發(fā)生蠕變均會(huì)導(dǎo)致密封失效，造成泄漏超標(biāo)。

b)因摩擦力增大造成閥門卡澀，執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在閥座密封面上的預(yù)緊力不足導(dǎo)致密封面泄漏超標(biāo)。

c)閥門動(dòng)作時(shí)，閥座密封面長期受到高溫高壓蒸汽的沖刷導(dǎo)致密封面缺陷，進(jìn)而引起的泄漏超標(biāo)。

5)閥門喘振。閥門喘振直觀的表現(xiàn)為閥門出現(xiàn)不正常的“上下竄動(dòng)”，以下兩個(gè)原因較為常見[3]：

a)閥芯卡澀、摩擦力增加，從而在閥門動(dòng)作過程中出現(xiàn)了非正常的活動(dòng)間隙，出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

b)若放空閥兼有調(diào)節(jié)蒸汽管網(wǎng)壓力作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)小流量工況，此時(shí)閥芯下部節(jié)流面積小，流速較高，可能出現(xiàn)亂流現(xiàn)象使得閥芯動(dòng)作不穩(wěn)，發(fā)生喘振現(xiàn)象。

6)噪音超標(biāo)。放空閥噪聲來源主要是機(jī)械振動(dòng)噪聲和氣體動(dòng)力噪聲，噪聲超標(biāo)實(shí)則就是流速過大。產(chǎn)生氣體動(dòng)力噪聲過大的原因主要體現(xiàn)在閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)不合理、減壓級數(shù)不夠、閥座出口流速太大。若閥后存在彎頭，也會(huì)因?yàn)楦吡魉俚臎_擊產(chǎn)生機(jī)械噪聲。

3 設(shè)計(jì)選型

3.1 閥門型式的選擇

對于高壓蒸汽放空工況存在壓差大、流速高的特點(diǎn)，相比于直通閥的“S”型流道，角閥可從閥體結(jié)構(gòu)上盡可能減少高速流體對閥體的直接沖擊。從使用壽命角度考慮，建議閥體型式優(yōu)選角閥。

3.2 閥體及閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇

閥門材質(zhì)的選擇主要根據(jù)管道材質(zhì)、流體介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕性以及材料造價(jià)等因素綜合考慮。針對高壓蒸汽介質(zhì)，結(jié)合工況特點(diǎn)，建議閥門主體材料優(yōu)選與管道同材質(zhì)的鍛件，常見的有F22，F(xiàn)91。

閥門內(nèi)件材質(zhì)選擇時(shí)需要考慮導(dǎo)向部件的熱強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)、閥芯及閥座材質(zhì)的硬度和熱膨脹系數(shù)、材質(zhì)的焊接和堆焊工藝等。同時(shí)查閱ASME B 16.34： 17[4]內(nèi)各類材質(zhì)的溫度、壓力使用范圍，避免因選材不合理導(dǎo)致的內(nèi)件擦傷和卡死現(xiàn)象。高壓蒸汽放空閥具有閥內(nèi)高沖擊、高流速、沖刷嚴(yán)重、冷熱交變應(yīng)力等特點(diǎn)，閥芯和閥座應(yīng)考慮堆焊硬質(zhì)合金，如閥座堆焊Stellite 6合金、閥芯堆焊Stellite 12合金，若需要進(jìn)一步提高抗腐蝕性能，可堆焊后整體進(jìn)行離子氮化處理[5]。

3.3 閥門減壓結(jié)構(gòu)形式

3.3.1結(jié)合工藝工況進(jìn)行理論分析

閥門減壓結(jié)構(gòu)形式在選擇前，一般需結(jié)合工藝和工況，從以下幾方面進(jìn)行理論分析：

1)壓差比。對于高壓蒸汽介質(zhì)，放空閥壓差比X為閥門前后壓差與閥前壓力之比[6]，X計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：p1——閥前壓力，kPa；p2——閥后壓力，kPa。

當(dāng)產(chǎn)生阻塞流時(shí)，壓差比是一個(gè)固定的常數(shù)，即臨界壓差比XT。

3)噪聲。當(dāng)蒸汽放空閥產(chǎn)生阻塞流時(shí)，閥門節(jié)流件處的流體流速已經(jīng)接近音速，這就形成沖擊波、噴射流、漩渦流等復(fù)雜流體，這種流體在節(jié)流孔的下游轉(zhuǎn)換成熱能，同時(shí)產(chǎn)生氣體動(dòng)力噪聲。

噪聲的程度可用流體流速與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎祦砼袆e。當(dāng)該比值小于0.33時(shí)，噪聲小，可以忽略；當(dāng)該比值大于1時(shí)，噪聲過大。該比值計(jì)算公式[7]如式(2)所示：

(2)

式中：M——流體流速與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎担琿m——蒸汽的質(zhì)量流量，kg/h；tSH——蒸汽過熱溫度，℃；p2——閥門/閥座出口壓力，kPa；d——閥門/閥座出口直徑，mm。

3.3.2結(jié)合理論分析進(jìn)行閥門減壓結(jié)構(gòu)選型

本文以某蒸汽管網(wǎng)放空閥為例，分析閥門結(jié)構(gòu)選型。其中，閥前表壓為12.5 MPa，閥后表壓為1.5 MPa，蒸汽溫度為545 ℃，蒸汽密度為36.3 kg/m3，蒸汽最大放空量為225 t/h，閥門入口管徑為DN250。根據(jù)式(1)計(jì)算可知，壓差比接近于1，且閥內(nèi)出現(xiàn)阻塞流。

蒸汽放空閥壓差大、閥門口徑大，開啟所需力矩也較大，因此優(yōu)選先導(dǎo)平衡式閥芯結(jié)構(gòu)，不僅可以減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力，也可以更好的實(shí)現(xiàn)閥門所需密封等級。

高壓蒸汽放空閥的選型難點(diǎn)在于高壓差、高流速、高噪音、強(qiáng)振動(dòng)，在消除噪音、振動(dòng)以及磨蝕等方面，速度控制一直以來都是業(yè)內(nèi)唯一認(rèn)可的長期、可靠的解決方案[7]，而速度控制主要依靠設(shè)計(jì)合理的閥門減壓結(jié)構(gòu)。目前，筆者將行業(yè)內(nèi)蒸汽放空閥典型減壓結(jié)構(gòu)總結(jié)為三類，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析如下：

1)閥座前直接減壓結(jié)構(gòu)。減壓過程為高壓蒸汽—閥門入口—迷宮套筒—閥座—閥門出口，閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閥座前直接減壓結(jié)構(gòu)示意

該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為閥前直接減壓，閥后無背壓，因此閥座處蒸汽密度較小，閥座處流速較大，以M=0.33帶入式(2)進(jìn)行計(jì)算，得出閥座設(shè)計(jì)尺寸不應(yīng)小于DN300。該方案可靠性較高，小流量工況調(diào)節(jié)性能良好，但閥座直徑較大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力要求也較大。

2)閥座后減壓結(jié)構(gòu)。減壓過程為高壓蒸汽—閥門入口—套筒—閥座—下迷宮—閥門出口，閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 閥座后減壓結(jié)構(gòu)示意

該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為高壓蒸汽首先經(jīng)過套筒，而后經(jīng)過閥座再進(jìn)入下迷宮。結(jié)合套筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)大流量蒸汽流入時(shí)，下迷宮處會(huì)形成壓力區(qū)，此時(shí)高壓蒸汽經(jīng)過閥座處減壓較小，蒸汽對應(yīng)的密度變化也較小。以M=0.33帶入式(2)進(jìn)行計(jì)算，得出閥座設(shè)計(jì)尺寸不應(yīng)小于DN150，閥座直徑設(shè)計(jì)值要求較小。當(dāng)小流量蒸汽流入時(shí)，蒸汽可以快速從套筒流出，閥芯和套筒之間無法建立壓力平衡，若此時(shí)閥座直徑設(shè)計(jì)值為DN150，閥座處介質(zhì)流速非常大，并且閥芯承受向下的力也巨大，有可能導(dǎo)致閥門在小開度時(shí)無法打開或者出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。因此，該結(jié)構(gòu)不適用于小開度或者小流量調(diào)節(jié)場合。

3)閥座前后組合減壓結(jié)構(gòu)。減壓過程為高壓蒸汽—閥門入口—迷宮套筒—閥座—多孔套筒—閥門出口，閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 閥座前后組合減壓結(jié)構(gòu)示意

該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為減壓過程分為兩級，閥座前迷宮籠和閥座后多孔套筒。高壓蒸汽通過閥座前的迷宮籠減壓時(shí)，閥座后多孔套筒處存在背壓，閥座處壓力取決于迷宮級數(shù)的設(shè)計(jì)，若以閥座處表壓為3.5 MPa，M=0.33帶入式(2)進(jìn)行計(jì)算，閥座設(shè)計(jì)尺寸不應(yīng)小于DN200。

從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及理論分析可知，若根據(jù)工藝需求設(shè)計(jì)合理的迷宮減壓級數(shù)，該方案閥座設(shè)計(jì)尺寸適中，也可滿足小流量調(diào)節(jié)工況。

3.4 其 他

閥門減壓結(jié)構(gòu)形式在選擇時(shí)，除上述內(nèi)容外，還需考慮以下內(nèi)容：

1)從維護(hù)的角度出發(fā)，閥體與閥座優(yōu)選分體式結(jié)構(gòu)，且閥座與閥體優(yōu)選金屬密封環(huán)設(shè)計(jì)，盡可能減少因石墨在高溫環(huán)境下的蠕變造成密封等級降低現(xiàn)象。

2)考慮到閥芯頻繁動(dòng)作及振動(dòng)導(dǎo)致的焊縫失效或銷釘剪斷帶來的風(fēng)險(xiǎn)，建議閥芯與閥桿連接優(yōu)選芯軸一體式結(jié)構(gòu)。

3)根據(jù)工藝介質(zhì)特點(diǎn)，閥桿應(yīng)優(yōu)選強(qiáng)度高且膨脹系數(shù)與主體材料接近的材質(zhì)，例如Inconel 718。

4)填料函材質(zhì)選用石墨，并根據(jù)填料函深度理論計(jì)算公式進(jìn)行復(fù)核[8]。對密封要求較嚴(yán)的高壓介質(zhì)，填料函深度計(jì)算如式(3)所示：

(3)

式中：H——填料函深度，mm；S——填料函寬度，mm；dc——閥桿直徑，mm。

4 結(jié)束語

高壓蒸汽放空閥因其使用介質(zhì)溫度高、壓差大、閥門要求響應(yīng)速度快，有些場合還需具備蒸汽管網(wǎng)壓力調(diào)節(jié)的作用，一直是閥門選型的難點(diǎn)之一。本文從蒸汽放空閥使用工況特點(diǎn)出發(fā)，對其在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析與總結(jié)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析探討了行業(yè)內(nèi)蒸汽放空閥的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行蒸汽放空閥設(shè)計(jì)選型有一定指導(dǎo)意義。