石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)現(xiàn)象與預(yù)防對(duì)策

沈小堃

摘要：本文以石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)為研究對(duì)象，介紹了石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)類型及不良影響，從氣蝕振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、流體動(dòng)力學(xué)三個(gè)方面，對(duì)石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)原因進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。并對(duì)石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)現(xiàn)象預(yù)防策略進(jìn)行了進(jìn)一步探究，以期為石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥正常運(yùn)行提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：石油石化;機(jī)械調(diào)節(jié)閥;振動(dòng)

前言：

某石油天然氣集團(tuán)具有三套主要生產(chǎn)裝置，總計(jì)年產(chǎn)合成氨7.2*10⁵t，尿素產(chǎn)生6.2*10⁶t。該氣化裝置為4112-F1-1，2型。其主要以天然氣為燃料，天然氣、氧氣在氣化爐內(nèi)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，生成合成氣，經(jīng)急冷水泵冷卻至250℃。在該氣化裝置運(yùn)行過(guò)程中，若機(jī)械調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入氣化爐急冷水量溫度不足，或者水量中斷。最終致使工藝氣出口溫度超出標(biāo)準(zhǔn)溫度，進(jìn)而導(dǎo)致氣化爐連鎖停車。本文對(duì)該石油石化氣化裝置機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，具體如下：

1 石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)類型及不良影響

石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)主要包括氣蝕振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、流體動(dòng)力學(xué)振動(dòng)三種類型。石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)問(wèn)題的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致氣泡邊緣層向下部移動(dòng)，產(chǎn)生巨大的壓力沖擊波，進(jìn)而促使液體向外部傳播，對(duì)調(diào)節(jié)閥管道壁、閥內(nèi)零件進(jìn)行集中撞擊。最終促使液體沖擊到相近的金屬表面，導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生疲勞、撕裂等缺陷問(wèn)題，影響調(diào)節(jié)閥正常運(yùn)行。

2 石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)現(xiàn)象的原因分析

2.1氣蝕振動(dòng)現(xiàn)象原因

4112-F1-1，2型石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)主要發(fā)生在液體介質(zhì)內(nèi)。氣蝕振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生的主要原因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥內(nèi)流體縮流加速，致使靜壓力下降，進(jìn)而導(dǎo)致液體汽化。石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥氣蝕振動(dòng)與調(diào)節(jié)閥開度、材料、流體運(yùn)動(dòng)速度具有一定聯(lián)系^[1]。

2.2機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象原因

4112-F1-1，2型石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)主要包括調(diào)節(jié)閥整體（包括調(diào)節(jié)閥管道、基座）振動(dòng)、調(diào)節(jié)閥閥芯振動(dòng)兩種類型。其中石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥整體振動(dòng)主要是由于管道、基座等劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致外部頻率與系統(tǒng)固有頻率趨于一致，促使振動(dòng)能量獲得最大值，最終致使整體調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)振動(dòng)情況。而調(diào)節(jié)閥閥芯振動(dòng)主要是由于介質(zhì)流速急劇增加，促使調(diào)節(jié)閥前后差壓在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，最終致使整體調(diào)節(jié)閥閥芯產(chǎn)生嚴(yán)重動(dòng)蕩。

2.3流體動(dòng)力學(xué)振動(dòng)現(xiàn)象原因

4112-F1-1，2型石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥流體動(dòng)力學(xué)振動(dòng)根本原因是調(diào)節(jié)閥內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生節(jié)流運(yùn)動(dòng)。直接原因?yàn)榻橘|(zhì)節(jié)流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷受摩擦阻力擾動(dòng)，促使調(diào)節(jié)閥內(nèi)湍流體經(jīng)不良繞流體產(chǎn)生旋渦。隨后在流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中旋渦會(huì)不斷向湍流體尾部移動(dòng)，最終脫落。在旋渦脫落階段，調(diào)節(jié)閥及其附屬裝置結(jié)構(gòu)頻率趨于一致，產(chǎn)生帶有噪聲的共振。

3 石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)現(xiàn)象的預(yù)防策略

3.1氣蝕振動(dòng)的預(yù)防策略

氣室破壞與金屬機(jī)械性能、抗腐蝕能力具有一定聯(lián)系。據(jù)此，在4112-F1-1，2型石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥氣蝕振動(dòng)問(wèn)題防護(hù)過(guò)程中，相關(guān)人員可以選擇抗氣蝕性較好、變形能力較大、抗拉強(qiáng)度較高。且硬度較高的細(xì)晶粒材料。如不銹鋼閥門等^[2]。

其次，在石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥閥門形式選擇過(guò)程中，為降低調(diào)節(jié)閥對(duì)氣蝕敏感程度，相關(guān)人員可依據(jù)閥門壓力恢復(fù)系數(shù)，優(yōu)先選擇高復(fù)原閥門，如球閥、蝶閥等。在機(jī)械調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓力相同的情況下，通過(guò)收縮截面，球閥、蝶閥等高復(fù)原閥門可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)出口壓力，降低流體阻力，減小氣蝕振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生概率。

再次，調(diào)節(jié)閥開度與氣蝕振動(dòng)現(xiàn)象具有直接的聯(lián)系。一般來(lái)說(shuō)，石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥開度與節(jié)流口位置流速正相關(guān)。因此，為避免機(jī)械調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)時(shí)間在小開度下作業(yè)導(dǎo)致的氣蝕振動(dòng)、閃蒸現(xiàn)象，技術(shù)人員應(yīng)適當(dāng)調(diào)小機(jī)械調(diào)節(jié)閥前后運(yùn)行壓力差。如采用多級(jí)分配壓差處理方式，或者采用節(jié)流套筒方式，保證石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥在設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行。

最后，合理的開車工藝是石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，針對(duì)閥門關(guān)閉階段上游管道加壓導(dǎo)致的閥門振蕩問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)開車階段，作業(yè)人員應(yīng)嚴(yán)格遵循設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，在前后壓力到達(dá)設(shè)計(jì)條件后迅速開啟機(jī)械閥門，保證閥門壓差穩(wěn)定。

3.2機(jī)械振動(dòng)的預(yù)防策略

基于4112-F1-1，2型石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)特點(diǎn)，首先在機(jī)械調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)以閥芯軸、導(dǎo)向孔主副配對(duì)關(guān)系為入手點(diǎn)，選擇耐磨合金材料作為導(dǎo)向孔材料，隨后選擇較導(dǎo)向孔材料硬度低一個(gè)等級(jí)的合金材料作為導(dǎo)向軸材料。通過(guò)兩者主副材料配比，可以保證調(diào)節(jié)閥導(dǎo)向軸、導(dǎo)向孔配合間隙修復(fù)及閥芯振動(dòng)修復(fù)工作高效開展。以SCPH3/A216-WCB碳鋼材料調(diào)節(jié)閥為例，閥門內(nèi)件導(dǎo)向套可采用SUS450B不銹鋼材料，調(diào)節(jié)閥閥芯采用SUS318不銹鋼材質(zhì)。通過(guò)不同不銹鋼閥芯材料的選擇，可以利用材料熱膨脹系數(shù)間差異，避免閥芯導(dǎo)向孔與導(dǎo)向套在振動(dòng)階段發(fā)生卡死情況。

其次，在上述材料應(yīng)用的基礎(chǔ)上，為避免閥芯導(dǎo)向軸振動(dòng)磨損現(xiàn)象發(fā)生，技術(shù)人員可采用NiGrFe3氬弧焊，對(duì)上部閥芯導(dǎo)向軸、下部閥芯導(dǎo)向軸進(jìn)行堆焊補(bǔ)焊。利用NiGrFe3氬弧焊良好的耐磨性及硬度，可有效解決閥芯震蕩、振動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)為降低閥桿相對(duì)導(dǎo)向套筒表面?zhèn)认蜻\(yùn)動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生頻率，技術(shù)人員可利用節(jié)流罩節(jié)流結(jié)構(gòu)代替柱塞節(jié)流結(jié)構(gòu)。并加大閥桿直徑，以保證閥門結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

最后，考慮到調(diào)節(jié)閥振動(dòng)現(xiàn)象中閥芯軸、上下閥蓋導(dǎo)向軸間隙間關(guān)系。在調(diào)節(jié)閥安裝過(guò)程中，為保證配合間隙符合規(guī)定，技術(shù)人員應(yīng)以調(diào)節(jié)閥閥芯同軸度為0.019mm為標(biāo)準(zhǔn)，逐次進(jìn)行調(diào)節(jié)閥底蓋、閥芯、上閥蓋、填料、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、連接塊、上下閥蓋緊固螺栓安裝。需要注意的是，在調(diào)節(jié)閥底蓋及上閥蓋安裝階段，技術(shù)人員應(yīng)沿低蓋四周輕微敲打，促使底蓋及上閥蓋自然找正。在閥芯安裝完畢后，沿對(duì)角進(jìn)行三次或五次緊固作業(yè)。

3.3流體動(dòng)力學(xué)振動(dòng)的預(yù)防策略

針對(duì)4112-F1-1，2型石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥流體動(dòng)力學(xué)振動(dòng)情況，在保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力的前提下，技術(shù)人員可調(diào)整流動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)降低流體旋渦主導(dǎo)脫落頻率形成概率。并調(diào)整湍流體波動(dòng)壓力場(chǎng)各模塊波動(dòng)分量頻率一致，降低流體動(dòng)力學(xué)共振現(xiàn)象發(fā)生概率^[3]。

在具體流體動(dòng)力學(xué)振動(dòng)現(xiàn)象預(yù)防過(guò)程中，技術(shù)人員可以在機(jī)械調(diào)節(jié)閥閥體腔內(nèi)補(bǔ)焊一塊或者兩塊擋汽板。同時(shí)在流體流經(jīng)石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥時(shí)，由于靜壓力、動(dòng)壓力的共同作用，調(diào)節(jié)閥閥瓣會(huì)產(chǎn)生切向力、軸向力。其中切向力可促使調(diào)節(jié)閥閥瓣轉(zhuǎn)動(dòng)，而軸向力則可促使機(jī)械調(diào)節(jié)閥閥瓣進(jìn)行拉伸，或者壓縮運(yùn)動(dòng)。此時(shí)若軸向合力產(chǎn)生不平衡運(yùn)動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥輸出力無(wú)法抵抗軸向力。據(jù)此，可依據(jù)機(jī)械調(diào)節(jié)閥執(zhí)行信號(hào)壓力，調(diào)整機(jī)械調(diào)節(jié)閥形成位置，保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力可克服機(jī)械調(diào)節(jié)閥在動(dòng)壓力環(huán)境中產(chǎn)生的輸出力可以抵抗不平衡軸向合力，降低流體動(dòng)力學(xué)振動(dòng)問(wèn)題發(fā)生概率。

總結(jié)：

綜上所述，石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，內(nèi)部具有多個(gè)不穩(wěn)定流動(dòng)因素。因此，在石油石化機(jī)械調(diào)節(jié)閥振動(dòng)現(xiàn)象分析過(guò)程中，技術(shù)人員可從氣蝕振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、流體動(dòng)力學(xué)振動(dòng)等方面，進(jìn)行針對(duì)性分析。從閥門材質(zhì)選擇、結(jié)構(gòu)調(diào)整、上下閥蓋焊接等方面，降低調(diào)節(jié)閥振動(dòng)概率，為氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：無(wú)錫智能自控工程股份有限公司）