減溫減壓器喘振問題的研究與應(yīng)用

蔣化勇，苗同立，李福全，楊亮，宋海明，白成海

（兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊830000）

某公司0.6 Mt/a醇氨聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，是采用該公司自主知識產(chǎn)權(quán)的四噴嘴水煤漿氣化技術(shù)，通過四噴嘴水煤漿氣化爐生產(chǎn)出水煤氣，經(jīng)過低溫甲醇洗、液氮洗、甲醇合成、氨合成、尿素合成工藝，其產(chǎn)能為0.3 Mt/a甲醇，0.3 Mt/a合成氨和0.52 Mt/a尿素的現(xiàn)代化煤化工項(xiàng)目。其核心設(shè)備包括甲醇冰機(jī)、氨冰機(jī)、二氧化碳壓縮機(jī)、氨合成壓縮機(jī)等四大機(jī)組。

熱電裝置配置3臺煤粉鍋爐，通過3臺原裝進(jìn)口美國CCI品牌減溫減壓器分別把9.8 MPa，540℃的高溫高壓蒸汽轉(zhuǎn)化為3.8，2.5，1.25 MPa的過熱蒸汽，為蒸汽管網(wǎng)提供穩(wěn)定的汽源，是后序化工裝置四大機(jī)組中汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的動(dòng)力來源。自2012年9月進(jìn)入試開車以來，3臺減溫減壓器的減壓閥分別出現(xiàn)喘振、卡塞現(xiàn)象，造成系統(tǒng)溫度、壓力無法控制，發(fā)生超溫超壓現(xiàn)象，整套裝置被迫停車，嚴(yán)重影響了試開車工作的正常運(yùn)行，同時(shí)給系統(tǒng)帶來重大的安全隱患。

為解決上述問題，減溫減壓器生產(chǎn)廠家多次到現(xiàn)場檢修處理，但減壓閥的卡塞、內(nèi)漏及喘振等問題一直未得到有效解決，使整套裝置的試開車工作受阻，一度成為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問題。該公司成立了攻關(guān)小組，對出現(xiàn)問題的減壓閥解體研究，并分析了其結(jié)構(gòu)形式、閥芯閥座材質(zhì)以及密封形式，通過對減壓閥的改造，解決了減溫減壓器長期存在的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，給公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 故障現(xiàn)象及問題分析

1.1 減溫減壓器運(yùn)行技術(shù)參數(shù)

3臺減溫減壓器運(yùn)行技術(shù)參數(shù)見表1所列。

表1 減溫減壓器運(yùn)行技術(shù)參數(shù)

3臺減溫減壓器的減壓閥因前后壓差過高，均采用角形設(shè)計(jì)，水平安裝，結(jié)構(gòu)形式采用先導(dǎo)式階梯閥芯結(jié)構(gòu)，屬于平衡式套筒調(diào)節(jié)閥的一種結(jié)構(gòu)，閥芯、閥座及套筒材質(zhì)采用X19Cr Mo VNb N1材質(zhì)，相當(dāng)于A182-F91材質(zhì)。密封形式采用自密封環(huán)密封，四分環(huán)結(jié)構(gòu)，通過螺栓提升套筒預(yù)緊力。3臺減溫減壓器的減壓閥采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有快開功能，在斷電、斷氣情況下，具有保位功能。采用意大利STI大功率閥門定位器，無需增速器等氣控元件。

1.2 減壓閥結(jié)構(gòu)及工作原理

套筒整體安裝在閥體內(nèi)，并卡在閥座上；套筒與閥體之間采用自密封環(huán)密封；分割環(huán)共4塊，鑲嵌在閥體分割環(huán)槽內(nèi)；通過自密封螺母旋緊，依次壓緊自密封壓圈、分割環(huán)、密封環(huán)保護(hù)墊、密封環(huán)保護(hù)套，為自密封環(huán)的密封提供預(yù)緊力，同時(shí)提起套筒，通過分割環(huán)緊緊固定在閥體上。閥芯由主閥芯、先導(dǎo)式閥芯、閥芯壓環(huán)組成；先導(dǎo)式閥芯通過閥芯壓環(huán)固定在主閥芯里面，并留有一定的行程，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)在套筒內(nèi)平行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)改變介質(zhì)流過套筒通孔數(shù)量，控制介質(zhì)流過套筒的面積，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)作用；先導(dǎo)式閥芯直接穿過套筒，經(jīng)填料襯套、成形填料、填料壓套、填料壓蓋、填料螺釘密封，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接。

當(dāng)閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用下，先導(dǎo)式閥芯緊緊壓在主閥芯上，主閥芯壓在閥座上，通過密封面密封，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的切斷。閥門打開過程，由于主閥芯受到介質(zhì)的沖刷力，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，先導(dǎo)式閥芯首先打開，然后再帶動(dòng)主閥芯打開，直至閥芯全部打開；閥門關(guān)閉過程，由于主閥芯受到介質(zhì)的沖刷力，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下，主閥芯與先導(dǎo)式閥芯同時(shí)向閥座方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主閥芯關(guān)到位后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼續(xù)推動(dòng)先導(dǎo)式閥芯運(yùn)動(dòng)，最后達(dá)到先導(dǎo)式閥芯和主閥芯關(guān)閉的目的。

1.3 故障現(xiàn)象

該3臺減溫減壓器自2012年9月投用后，運(yùn)行穩(wěn)定且使用效果良好。但3個(gè)月后，3臺閥門先后出現(xiàn)閥芯上下抖動(dòng)，發(fā)生喘振現(xiàn)象，喘振頻率在180次/min左右。初始時(shí)閥位在15%～35%范圍內(nèi)波動(dòng)，之后逐漸擴(kuò)大到15%～50%范圍內(nèi)波動(dòng)，閥門無法調(diào)節(jié)，后系統(tǒng)蒸汽壓力不能穩(wěn)定，閥門振動(dòng)也隨之加大，出現(xiàn)閥門附件損壞、閥門卡塞，造成系統(tǒng)被迫停車。經(jīng)對閥門解體檢查，套筒縱向出現(xiàn)41 mm裂紋，主閥芯與套筒之間磨損嚴(yán)重。

1.4 減溫減壓器故障分析

1）套筒縱向裂紋產(chǎn)生的原因分析。閥門所處環(huán)境為高溫高壓工況，試開車期間開停車頻繁，閥門處在高溫和常溫交替變化環(huán)境中。由于套筒、閥芯閥座材質(zhì)為X19Cr Mo VNb N1材質(zhì)，該材質(zhì)硬度和脆性均高，受溫度影響較大，工作溫度頻繁變化是套筒產(chǎn)生縱向裂紋的根本原因。

2）主閥芯與套筒之間磨損嚴(yán)重原因分析。由于套筒產(chǎn)生縱向裂紋，造成閥芯與套筒之間間隙過大，高壓蒸汽順該間隙串入閥芯頂部，使閥芯上下壓差加大，閥芯受到一定的高壓蒸汽的不平衡力；又因閥門為水平安裝，閥芯在自身重力和閥芯與套筒之間間隙過大的影響下，使閥芯與套筒的同軸度發(fā)生偏離，閥芯與套筒之間的摩擦力也會(huì)隨之增大，造成主閥芯與套筒之間磨損嚴(yán)重。

3）閥門喘振原因分析。閥芯采用先導(dǎo)式階梯閥芯形式，通過對主閥芯與套筒之間磨損嚴(yán)重原因的分析，主閥芯與套筒摩擦力增大。閥門在關(guān)閉過程中，主閥芯容易發(fā)生卡塞，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下，先導(dǎo)式閥芯繼續(xù)向關(guān)位置運(yùn)動(dòng)，使先導(dǎo)式閥芯關(guān)閉，造成主閥芯前后不平衡力瞬間增大，閥芯被迫下移，小閥芯再次打開，主閥芯不平衡力減小，當(dāng)閥門閥位在一定的給定值時(shí)，在閥門定位器的作用下，閥芯再向開方向運(yùn)動(dòng)，如此往復(fù)，閥門位置無法達(dá)到平衡，造成減溫減壓器的減壓閥發(fā)生喘振。

2 改造方案

通過對閥門喘振及卡塞現(xiàn)象的分析，問題與套筒材質(zhì)和閥芯的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，需要對套筒和閥芯進(jìn)行改造。

2.1 套筒的改造

由于套筒材質(zhì)為X19Cr MoVNbN1材質(zhì)，硬度和脆性均高，套筒縱向出現(xiàn)41 mm裂紋，需要對套筒按照原尺寸加工。新材質(zhì)采用A182-F6NM，做熱處理和硬化處理，該材質(zhì)與X19Cr MoVNbN1相比，強(qiáng)度高但硬度基本一致，耐溫性好，熱膨脹系數(shù)小，且具有一定的延展性，針對頻繁開停車工況，采用該材質(zhì)比較適合。

2.2 閥芯的改造

原先導(dǎo)式階梯閥芯結(jié)構(gòu)，因閥門為水平安裝，主閥芯與套筒之間摩擦力較大，在關(guān)閉過程中，一旦主閥芯發(fā)生卡塞，先導(dǎo)式閥芯繼續(xù)關(guān)閉，主閥芯將會(huì)受到較大的不平衡力的作用，從而發(fā)生喘振現(xiàn)象。要解決該問題，必須保證主閥芯在發(fā)生卡塞時(shí)，先導(dǎo)式閥芯不能關(guān)閉，因此采取在先導(dǎo)式閥芯與主閥芯之間加裝碟簧的方案，即使在關(guān)閉過程中，主閥芯發(fā)生卡塞，先導(dǎo)式閥芯在關(guān)閉時(shí)，通過碟簧推動(dòng)主閥芯一起關(guān)閉，直至主閥芯完全關(guān)閉，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力下，先導(dǎo)式閥芯壓緊碟簧，主閥芯關(guān)閉。采取該方案杜絕了在關(guān)閉過程中先導(dǎo)式閥芯關(guān)閉的問題。

主閥芯與套筒之間采用公差配合，但是由于閥門為水平安裝，在主閥芯自身重力的影響下，長周期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致摩擦力逐步增大。為了解決主閥芯與套筒之間摩擦力較大的問題，采取了加長主閥芯的方案，在主閥芯末端焊接相同材質(zhì)的小閥籠，使小閥籠深入到閥座內(nèi)進(jìn)行公差配合，長度保持與閥門的行程一致，保證閥門在全開時(shí)小閥籠始終處于閥座內(nèi)部。通過加長小閥籠，可以實(shí)現(xiàn)對主閥芯的導(dǎo)向作用，保證主閥芯與套筒之間的同軸度，減輕主閥芯與套筒之間的摩擦力。關(guān)鍵技術(shù)在于小閥籠的開孔尺寸和數(shù)量，使閥門在運(yùn)行過程中，小閥籠的通透面積要等于或略大于主閥芯和套筒的通透面積，才能夠保證閥門的流量特性不受小閥籠影響，而且小閥籠還能夠起到一定的降噪作用。改造后減壓閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 減壓閥結(jié)構(gòu)示意

3 改造實(shí)施情況

2013年5月大修期間，與無錫市亞迪流體控制技術(shù)有限公司合作，按照上述改造方案改造了3號減溫減壓器。技術(shù)人員對3號減溫減壓器套筒、主閥芯、閥座等閥內(nèi)件進(jìn)行了精確測繪，按材質(zhì)要求采用A182-F6NM加工制作閥內(nèi)件，并做了熱處理和硬化處理。經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試，投用后運(yùn)行正常，喘振及卡塞現(xiàn)象消失，取得了良好的效果。

4 經(jīng)濟(jì)效益

該技術(shù)是針對熱電管網(wǎng)或汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)中高壓過熱蒸汽減溫減壓器長期以來一直依賴進(jìn)口產(chǎn)品，但進(jìn)口產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中存在調(diào)節(jié)時(shí)閥門喘振現(xiàn)象，而進(jìn)口廠家的售后服務(wù)人員又無法解決該問題而提出的一種改進(jìn)型減溫減壓器結(jié)構(gòu)。通過對閥芯的的結(jié)構(gòu)改進(jìn)可很好地解決閥門運(yùn)行過程中的喘振問題，保證了減溫減壓器的連續(xù)運(yùn)行，滿足了現(xiàn)場使用要求。

3號減溫減壓器的成功改造，為另外2臺減溫減壓器改造提供了理論支持，通過后續(xù)改造，3臺減溫減壓器實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定運(yùn)行，取得了良好的使用效果，并取得了《一種改良閥芯的減溫減壓器》國家專利。該技術(shù)的成功應(yīng)用，解決了高壓過熱蒸汽減溫減壓器的喘振及卡塞問題，改變了該類閥門長期以來依賴進(jìn)口的狀況，為減溫減壓器的國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

高壓過熱蒸汽場合的減溫減壓器，減壓閥基本上都是套筒閥結(jié)構(gòu)，只有使用多級式套筒才能滿足高壓差的使用要求。該閥門除具有調(diào)節(jié)要求外，還需要在關(guān)閉時(shí)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密關(guān)斷甚至零泄漏的目標(biāo)。因?yàn)槭歉邷厥褂脠龊?，主閥芯與套筒之間無法使用軟密封結(jié)構(gòu)，金屬密封結(jié)構(gòu)又不能滿足零泄漏的要求，因此該結(jié)構(gòu)的閥門采用先導(dǎo)式閥芯結(jié)構(gòu)，關(guān)閉過程中利用介質(zhì)的壓力和蝶閥的彈力使先導(dǎo)式閥芯與主閥芯保持打開狀態(tài)，主閥芯上下壓力能夠保持平衡，全關(guān)時(shí)提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力，首先關(guān)閉主閥芯再關(guān)閉先導(dǎo)式閥芯，實(shí)現(xiàn)了零泄漏的要求；打開時(shí)，先打開小閥芯，大閥芯輕松打開，減少了執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸，降低了成本。

由于考慮到減溫減壓器大都是臥式安裝的，因此閥芯與套筒的間隙很小，為了避免出現(xiàn)熱膨脹卡死現(xiàn)象，閥芯的外圓處加工了很多小槽，給予熱膨脹空間，避免出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。