進(jìn)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(tuán) 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(jìn)入4.1 MPa蒸汽母管，供全廠中壓蒸汽用戶使用。該閥采用進(jìn)口品牌，規(guī)格為DN200，Class2500，設(shè)計(jì)質(zhì)量流量170 t/h，材質(zhì)為12Cr1MoVG,采用焊接連接方式，先導(dǎo)閥芯結(jié)構(gòu)可以保證V級(jí)密封，執(zhí)行機(jī)構(gòu)配有熱備手動(dòng)旁路。在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)閥門振動(dòng)大，并多次出現(xiàn)填料泄漏、閥桿震斷等現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(fù)荷13次，引起裝置跳車1次。該閥頻繁發(fā)生故障已嚴(yán)重威脅到了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，為此該公司對(duì)高壓蒸汽減壓閥進(jìn)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(shí)，導(dǎo)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(dá)到要求；閥桿強(qiáng)度不夠，致使輸出力過大時(shí)，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(dá)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(jì)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(jì)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(dāng)p=10 MPa，D=41.5 mm，d=35.0 mm，經(jīng)計(jì)算該閥填料函深度理論值應(yīng)為30.7 mm，實(shí)測(cè)值僅為23.0 mm，根據(jù)計(jì)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(jì)填料為4組，閥桿側(cè)傾受力不對(duì)稱時(shí)，4組填料導(dǎo)向不足，單向擠壓后發(fā)生變形，高壓及高頻振動(dòng)環(huán)境下極易出現(xiàn)填料泄漏。根據(jù)計(jì)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(qiáng)了填料的導(dǎo)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(jī)構(gòu)故障原因分析及改造措施

2.1　執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障原因分析

由于現(xiàn)場(chǎng)閥門振動(dòng)大，閥門在使用過程中反復(fù)出現(xiàn)了閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿和閥桿斷裂的情況，導(dǎo)致閥門失控，蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)。后經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)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(dá)5 mm。若把推桿和閥桿通過連接螺母強(qiáng)行連接后，推桿會(huì)產(chǎn)生1個(gè)徑向作用力，該作用力長(zhǎng)期在高頻振動(dòng)環(huán)境下，會(huì)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(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上也存在如下缺陷：

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

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

3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿和閥桿連接螺母絲扣少，固定不牢固，振動(dòng)情況下會(huì)造成螺絲松動(dòng)，導(dǎo)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)推桿部分未考慮采用導(dǎo)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(jī)構(gòu)上進(jìn)行改造，因執(zhí)行機(jī)構(gòu)先天設(shè)計(jì)不足改造空間有限，難以深入改造，該公司最終決定對(duì)執(zhí)行機(jī)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(duì)稱對(duì)夾式改為左右實(shí)體對(duì)稱對(duì)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(shí)還要考慮填料改造后增加的摩擦力。重新選型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用多彈簧式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，質(zhì)量輕、體積小、推力大、耐高溫，與原閥連接簡(jiǎn)便，能夠確保閥門嚴(yán)密關(guān)斷。改造后該執(zhí)行機(jī)構(gòu)問題得以解決。

3　現(xiàn)場(chǎng)閥門振動(dòng)大原因分析及改造措施

3.1　振動(dòng)大原因分析

原閥門套筒分為上下兩部分，上套筒起導(dǎo)向作用，下套筒為條狀流量窗口，閥芯為先導(dǎo)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)致固定螺栓松動(dòng)、定位器故障等問題。

通過查閱閥門設(shè)計(jì)選型相關(guān)資料，閥門振動(dòng)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(jī)械噪聲、液體動(dòng)力噪聲、氣體動(dòng)力噪聲。

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

2) 液體動(dòng)力噪聲是由于液體流過調(diào)節(jié)閥節(jié)流孔時(shí)，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(jìn)而產(chǎn)生閃蒸和空化的作用。

3) 氣體動(dòng)力噪聲是氣體或蒸汽流過閥門節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生的。氣體和蒸汽都屬于可壓縮流體，當(dāng)流速比聲速低時(shí)，噪聲是因?yàn)檎{(diào)節(jié)造成的紊流現(xiàn)象而產(chǎn)生的，當(dāng)氣體的流速大于聲速時(shí)，流體中產(chǎn)生的沖擊波，導(dǎo)致噪聲加劇。根據(jù)閥門實(shí)際使用工況，重新計(jì)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(dá)180 m/s，噪聲已超過100 dB，足以形成強(qiáng)大的破壞力，從而引起閥門強(qiáng)烈地振動(dòng)。

3.2　改造措施

經(jīng)分析，閥門振動(dòng)大的主要原因?yàn)樘淄参床捎媒翟虢Y(jié)構(gòu)，通過查找資料，噪聲的治理可以通過設(shè)計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)，如降噪聲孔板、擴(kuò)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(kuò)散面積上提供1個(gè)合適的速度分布，這種經(jīng)濟(jì)的獲得靜音閥門設(shè)計(jì)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(dòng)的性能，改造時(shí)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(jī)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(dòng)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(jiǎn)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(jī)構(gòu)推桿、閥桿多次斷裂，閥門振動(dòng)大的問題，并為今后的閥門問題處理積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[2]全國化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站，全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)壓力管道分技術(shù)委員會(huì).工業(yè)閥門選用指南[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[3]陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京： 化學(xué)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(jī)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(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域防流體危險(xiǎn)的對(duì)策[J].石油化工自動(dòng)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(jì)算[J].石油化工自動(dòng)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(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].石油化工自動(dòng)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(dòng)化，2017，53(05): 70-72.