超高溫高壓蒸汽放空閥國產(chǎn)化設計及應用

苗同立

(無錫市亞迪流體控制技術有限公司，江蘇 無錫 214161)

大型空分裝置的蒸汽放空閥，對閥門材質(zhì)要求非?？量?，應能滿足壓力為9.8～13.5 MPa，溫度為520～540 ℃的超高壓蒸汽?？辗盅b置開車時，需要不斷放掉超壓蒸汽以保護空分裝置安全穩(wěn)定的開車。開車成功后，閥門需要嚴密關斷，否則將造成大量蒸汽的浪費。

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

無錫市亞迪流體控制技術有限公司從2012年開始就針對這種苛刻工況進行了基礎理論研究，并先后在一批煉化工程及煤化工項目中成功應用國產(chǎn)化超高溫高壓蒸汽放空閥，解決了上述進口產(chǎn)品的使用問題，性能超過了同類型進口產(chǎn)品，且已可以替代同類型進口產(chǎn)品。

1 進口蒸汽放空閥的使用問題分析

根據(jù)多年維修同類進口蒸汽放空閥的經(jīng)驗，總結得出同類進口產(chǎn)品存在的主要問題和原因，這些經(jīng)驗對國產(chǎn)化設計及應用起到了關鍵性的作用。同類進口產(chǎn)品出現(xiàn)的典型問題和原因主要有以下幾個方面。

1.1 泄漏超標

泄漏超標主要體現(xiàn)在：

1)閥芯導向欠佳，進口產(chǎn)品基本上都是上部導向，閥芯下部無導向或導向短，使得關閉時不能很好對中。

2)閥座與閥體密封墊圈采用石墨纏繞墊結構，高溫下石墨蠕變導致密封失效；有的廠家采用閥座閥體焊接在一起的結構，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)行機構作用在閥座密封面上預緊力不足導致密封面泄漏。

4)密封面無分流保護設計，導致閥門打開時密封面處受高溫高壓蒸汽沖刷嚴重，密封面出現(xiàn)缺陷導致泄漏。

1.2 動作卡澀

動作卡澀主要體現(xiàn)在：

1)套筒沒有采用迷宮降壓結構，導致閥門側向介質(zhì)沖擊力過大，閥芯偏移導致單側摩擦，摩擦力增大導致卡澀。

2)閥芯無下導向結構，導致大開度流量很大時，閥芯導向不好而卡澀。

3)設計間隙小，導致熱膨脹后的間隙太小導致動作卡澀。

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，導致先導閥芯和主閥芯之間中間開度動作時出現(xiàn)關閉或接近關閉的狀態(tài)，定位器給信號時，閥門無法找準位置而發(fā)生喘振。

2)摩擦力太大時會導致動作有過沖，摩擦力太小時會導致動作太靈敏。

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

4)先導閥芯和主閥芯之間沒有預緊彈簧，導致動作時先導閥芯很容易與主閥芯關閉，這樣會加劇動作時先導閥芯的關閉和打開，導致喘振。

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，大流量蒸汽介質(zhì)對閥芯下部的迷宮套筒沖擊嚴重，導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，如增加加強銷釘?shù)却胧?，導致純粹靠釬焊的強度對抗高壓大流量介質(zhì)的沖刷。

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

1.5 閥桿閥芯脫落

閥桿閥芯脫落主要體現(xiàn)在：

1)先導閥芯和閥桿采用螺紋加口頭焊接或銷釘連接，頻繁的動作和振動，會導致焊縫的失效或銷釘?shù)募魯?，因此閥桿會出現(xiàn)退絲現(xiàn)象，導致閥桿和先導閥芯的脫落，閥桿動作時，無法打開閥芯進行放空。

2)先導閥芯在主閥芯內(nèi)部的行程限位連接不合理，國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。壓板螺栓在開關過程中承受沖擊力，加上螺栓突出也承受來自介質(zhì)的沖擊，因此導致螺栓松動導致先導閥芯和主閥芯的脫落；如果采用內(nèi)置擋圈，則擋圈也會承受開關過程中執(zhí)行機構沖擊力導致薄擋圈失效而使得先導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構，造成大流量沖擊時，套筒底部承受巨大的壓差沖擊力，導致套筒底部容易產(chǎn)生沖擊應力裂紋，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，套筒承受著比小孔設計時更大的沖擊力，但小孔加工的成本較高。

3)套筒、閥座、閥芯的設計結構不合理。有的廠家把套筒放在下部、閥座及下延長部分與閥體完全接觸、閥芯下延長部分與閥座內(nèi)徑全長接觸。閥門在長期關閉時，套筒下部、閥座下部、閥芯下部處于冷態(tài)，一旦閥門打開，則會出現(xiàn)冷熱快速交換狀態(tài)，加上介質(zhì)的高壓高速沖擊，導致上述零件的下部出現(xiàn)冷熱裂紋現(xiàn)象。

1.7 閥座無法在線維修

很多國外閥門廠家的閥座和閥體都是焊接在一起加工的，沒有做成分體式結構。由于閥蓋為自密封結構，因此無法使用閥蓋壓緊內(nèi)件的方式壓緊閥座，分體式結構設計復雜。

1.8 閥門速度太慢

閥門速度太慢主要體現(xiàn)在：

1)側向摩擦力大導致執(zhí)行機構負載增加，造成全行程動作速度慢。

2)氣缸尺寸選擇大，閥門行程長，導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 噪音過大

噪音過大主要體現(xiàn)在：

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

2)閥座內(nèi)徑?jīng)]有分流結構，很多國外廠家閥座內(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)徑出口流速會沖擊彎頭處，也會導致機械噪音很大。

2 工況分析

由于傳送介質(zhì)為高壓高溫過熱蒸汽，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，閥門要求泄漏等級為FCI 70-2 Ⅴ級，閥門全行程時間小于2 s，管道材料為A335-P91。

空分裝置開車時，高壓高溫蒸汽為壓縮機組汽輪機運行提供動力，1根蒸汽母管上可能提供3套及以上的空分裝置汽輪機所需蒸汽量，蒸汽母管上設置蒸汽壓力放空閥。在壓縮機啟動時，蒸汽放空閥起壓力調(diào)節(jié)作用；壓縮機故障時，蒸汽放空閥起快速放空泄壓作用。因此在開車時會頻繁進行壓力調(diào)節(jié)，但一旦空分運行穩(wěn)定后，蒸汽放空閥則完全關閉。

3 閥門主體結構及材料選擇

由于閥門的使用工況非?？量蹋畲髩翰钸_12 MPa，而且蒸汽流量很大，泄漏等級要求較高，為了達到V級泄漏乃至零泄漏的目的，閥門的主體結構采用迷宮式套筒閥結構，但又不同于普通的套筒閥結構，必須具備自密封閥蓋結構、先導自密封閥芯結構、可拆卸式閥座、自密封閥座密封設計、防沖擊迷宮套筒結構、降噪分流閥座等結構。

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 閥門結構設計及理論分析

為了解決同類進口產(chǎn)品在使用過程中的問題，通過采取針對性設計，避免出現(xiàn)類似問題的發(fā)生。

4.1 高壓差迷宮套筒在高流量下的防沖擊結構設計

圖1所示為迷宮套筒放在進口型腔內(nèi)的設計，可避免放在閥座底部出現(xiàn)拉伸剪切應力的問題。同時在迷宮套筒外部增加防沖擊長條外套筒結構，避免了迷宮套筒的外圓承受直接沖擊，從根本上保護了迷宮套筒的耐沖刷能力。

4.2 閥桿與閥芯防脫落結構設計

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

圖1 組合迷宮套筒示意

圖2 先導閥芯組裝示意

4.3 可拆卸式閥座設計

由于閥蓋采用自密封結構，因此閥座要實現(xiàn)可拆卸式結構較為復雜，可拆卸式閥座結構如圖3所示。

圖3 可拆卸式閥座結構示意

分布在閥座上部的螺釘通過四分環(huán)壓緊閥座，內(nèi)置的碟簧防松結構可確保閥座在開關過程中不會出現(xiàn)松動現(xiàn)象。

4.4 閥座密封結構設計

由于石墨纏繞墊一方面需要很大的預緊力，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。因此設計了圖4所示的金屬自密封結構閥座密封環(huán)，特殊結構的自密封環(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所示的螺釘提供預緊比壓，靠關閉時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級泄漏等級。

圖4 閥座自密封結構示意

4.5 閥芯底部導向結構設計

如圖3所示，閥芯底部加長導向，一方面起到大開度下的穩(wěn)定導向作用，減少了閥芯側向摩擦力，另一方面可對流體起到分流作用，減少了對閥座密封面的沖刷，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的實現(xiàn)。

4.6 套筒閥芯閥座等內(nèi)件的防冷熱裂紋設計

如圖1所示，在迷宮套筒外部增加1個保護套筒，使迷宮套筒避免承受長期關閉突然打開時的介質(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，閥座外徑與閥體導向接觸部分采用兩側導向中間內(nèi)凹槽的設計，閥門長期關閉時，整個閥座除了自密封環(huán)和上下兩處短導向接觸外，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上部傳遞到閥座下部，使得保持整個閥座的上下受熱均勻，因此突然打開時不會出現(xiàn)冷熱交變狀態(tài)，避免了出現(xiàn)冷熱交變應力產(chǎn)生的裂紋現(xiàn)象。如果閥座外徑和閥體采用全部導向，則閥座上部的熱量傳遞到閥座時，很容易通過熱傳導和下部冷的閥體換熱，從而導致閥座下部無法加熱的問題；閥芯下部設計原理同閥座，也是采用虛開槽設計的原理確保整個閥芯上下的溫度均勻。

4.7 其他結構設計及計算

如分流閥座結構設計、執(zhí)行機構快速動作的夾塊夾持PEEK材料導向零件設計、附件分體式安裝等，都確保了噪音的降低、快速動作的穩(wěn)定運行等；同時進行了高溫下熱膨脹后的間隙計算、閥芯動作的防喘振計算等。

5 閥門各種工況下的有限元分析

對以下4種工況使用CFD和ANSYS等軟件進行有限元分析：

1)閥門長期關閉，突然打開的工況。

2)頻繁開停車，多次開關后的機械性能。

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)化的設計模型，從而更加確?，F(xiàn)場各種工況的安全使用和穩(wěn)定運行。

6 結束語

該結構設計已經(jīng)多次成功應用在實際現(xiàn)場中，產(chǎn)品優(yōu)良的使用性能得到了客戶的一致認可。產(chǎn)品不僅可以用在蒸汽放空閥場合，同時也可以推廣到大型減溫減壓器、蒸汽旁排閥等重要場合，以及可以廣泛應用到大型空分裝置、乙烯等高溫高壓蒸汽場合。