儀表調節(jié)閥零泄漏方案分析與研究

靳向東

（天脊煤化工集團股份有限公司，山西 長治 047500）

引言

某硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 蒸汽放空儀表調節(jié)閥原使用CV3000 系列HPC 型高壓籠式調節(jié)閥。HPC 型調節(jié)閥采用了壓力平衡式結構，可調范圍廣，壓降損失小。但是閥內件加工精度、裝配精度要求高，閥門泄漏量超標，且在生產運行中會逐漸增大，造成大量的蒸汽放空，帶來極大的能源浪費，且給裝置安全、平穩(wěn)、高效運行帶來影響[1-3]。

因此，本文對蒸汽放空儀表調節(jié)閥實現零泄漏進行了分析與研究。從查找泄漏的原因，對結構改進、調節(jié)閥選型、調節(jié)閥計算等進行研究，以達到“三不見工廠”（看不見、聽不見、聞不見）的要求。

1 現狀調查及原因分析

硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 3 臺蒸汽放空儀表調節(jié)閥，2000 年投用，使用3 個月左右蒸汽泄漏量超標，維修人員通過調整執(zhí)行機構預緊力、重新調整定位器等方式，使泄漏量略有改善，但泄漏量仍在CLASS Ⅳ級上下，不能滿足工藝生產要求。

后期，利用裝置大修的機會對3 臺閥門離線檢修，通過車修、研磨密封面，雖然泄漏等級暫時達到CLASS Ⅳ級，但投運3 個月后，工藝反饋普遍泄漏量增大，且有明顯的蒸汽排放感觀。所以通過檢修不能從根本上給予解決泄漏量大問題，對于3 臺蒸汽放空閥泄漏量超標始終沒有針對性的解決方案。

2020 年，企業(yè)提出“三不見工廠”建設和精益思想指導下的“精致生產”，又重新把硝酸磷肥裝置的3 臺蒸汽放空儀表調節(jié)閥如何實現零泄漏的問題提上工作議程。

通過對CV3000 系列HPC 型高壓籠式調節(jié)閥的結構和工作原理的研究發(fā)現，該型號調節(jié)閥閥內件加工精度、裝配精度要求較高，密封面表面的劃痕、擦傷以及裝配時執(zhí)行機構的不同心，都會造成調節(jié)閥的泄漏量超標，對閥門的維修要求高。該結構的閥門后期維修、維護成本較高，檢維修的技術難度較大，不利于裝置長周期安全穩(wěn)定經濟運行，不能適用于硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 蒸汽放空的工況。HPC 系列高壓籠式調節(jié)閥結構圖詳見圖1。

圖1 HPC 系列高壓籠式調節(jié)閥結構圖

2 調節(jié)閥選型

2.1 調節(jié)閥的結構選擇

針對硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 蒸汽放空工況，需要一種能夠實現嚴密泄漏等級（CLASS Ⅵ級或零泄漏）、性能可靠、維修方便的儀表調節(jié)閥。通過市場技術考察和技術交流，最終借鑒了某儀表調節(jié)閥專業(yè)生產廠家在其他化工企業(yè)蒸汽放空工況儀表調節(jié)閥的經驗，選擇先導式套筒調節(jié)閥。

先導式套筒調節(jié)閥的結構結合了單座調節(jié)閥嚴密切斷的特點，同時兼顧了套筒調節(jié)閥壓力平衡的優(yōu)點。采用單座閥閥芯結合套筒閥閥塞的復合結構，流體高進低出，即確保閥門在關閉狀態(tài)下的嚴密切斷功能，同時又能實現在閥門打開時，閥塞處于壓力平衡狀態(tài)，閥門不平衡力小，動態(tài)穩(wěn)定性好，調節(jié)精度高，尤其適用于高溫、高壓工況嚴密切斷的場合，泄漏等級可達到零泄漏。先導式套筒調節(jié)閥結構圖及實物圖詳見下頁圖2、圖3。

圖2 先導式閥芯結構圖

圖3 先導式閥芯實物圖

先導式套筒調節(jié)閥與活塞式直行程執(zhí)行機構的組合，憑借著活塞式執(zhí)行機構的大推力，確保為密封面提供持續(xù)的密封比壓?；钊綀?zhí)行機構采用冷拔液壓缸管作為氣缸體，經研磨、擠壓工藝，大大降低了動密封元件的磨損，提供了執(zhí)行機構的耐用度。

其基本誤差、回差、死區(qū)、始終點偏差、額定行程偏差等主要技術指標均優(yōu)于GB/T 4213、GB/T 17213、IEC60534 標準中所規(guī)定的允許值，且閥門在調節(jié)過程中的動作響應及流量響應均能符合設計參數要求。

與同規(guī)格薄膜式執(zhí)行機構相比，推力更大，具有結構簡單、質量輕、體積小的特點，是一種高性能氣動直行程執(zhí)行機構。根據工藝設計要求，選用單作用活塞式直行程執(zhí)行機構。

單作用、雙作用活塞式直行程執(zhí)行機構結構圖見圖4、圖5。

圖4 單作用活塞式直行程執(zhí)行機構結構圖

圖5 雙作用活塞式直行程執(zhí)行機構結構圖

2.2 閥體、上蓋的材料選擇

15、20、40 kg 3 臺蒸汽放空調節(jié)閥蒸汽溫度分別為350、350、420 ℃，選擇普通的碳鋼材質，溫壓及力學性能均已達到材料使用范圍的上限。為了確保高溫蒸汽工況調節(jié)閥安全可靠，閥體、上蓋材質均選擇WC9。WC9 的溫壓、力學性能優(yōu)于碳鋼，是高溫蒸汽介質的首選材料，廣泛應用于高溫蒸汽的場合。

2.3 閥內件材料

為了確保閥內件（閥芯、閥座、閥桿）能夠在高溫狀態(tài)下保持優(yōu)良的力學性能，3 臺蒸汽放空調節(jié)閥的閥內件選擇410SS 馬氏體不銹鋼。410SS 不銹鋼經熱處理后，材料的力學性能、表面硬度均優(yōu)于316SS 不銹鋼。

410SS 不銹鋼在高溫蒸汽工況仍具有較高的硬度，熱膨脹率低，閥內件不易擦傷、卡澀，尤其適用于高溫蒸汽的場合。316 奧氏體不銹鋼及410 馬氏體不銹鋼材料的對比說明以及力學性能指標詳見表1、表2。

表1 316 奧氏體不銹鋼及410 馬氏體不銹鋼材料的對比說明

表2 316 奧氏體不銹鋼及410 馬氏體不銹鋼材料力學性能對比表

2.4 填料材質的選擇

高溫蒸汽介質的選用雙層石墨填料，采用機械預制成型，在填料組件上下配置保持環(huán)。石墨材料的氯含量應不超過100 μg/g。能夠滿足API 6FA 耐火試驗標準測試認證的要求。該填料結構可以不用拆卸上閥蓋或執(zhí)行機構部件即可以緊固填料的結構。填料結構應滿足低逸散ISO 15848-1 標準閥桿密封等級Class B 等級的要求。

3 調節(jié)閥的計算

3.1 Cv 值計算

3臺蒸汽放空調節(jié)閥除高泄漏等級外，還要求同時具備優(yōu)良的調節(jié)性能。調節(jié)閥的流通能力使用Cv值表示，Cv值的計算按照ANSI/ISA-75.01.01 或IEC 60534-2-1 標準執(zhí)行。流量特性選擇等百分比流量特性，額定Cv值選取正常流量Cv值的2 倍或最大流量Cv值的1.3 倍的兩者較大值。直行程調節(jié)閥相對行程在最大流量工況下控制在85%開度以內。

用于蒸汽的空氣動力噪聲計算執(zhí)行IEC 60534-8-3 或ISA-75.17 標準，計算出的調節(jié)閥最大噪聲應使其下游1 m 處和管道表面1 m 處的最大穩(wěn)態(tài)噪聲限值不得超過85 dB(A)；當計算結果超過最大允許噪聲限值時，采取降噪措施。降噪措施采用低噪聲閥內件結構。Kv值計算公式與判別式詳見表3。

表3 Kv 值計算公式與判別式

文字符號說明：X 為壓差與入口絕對壓力之比（△P/P1）；XT為壓差比系數；K 為比熱比；Qg為體積流量，m3/h；Wg為質量流量，kg/h；ρ1為密度（P1，T1條件），kg/m3；T1為入口絕對溫度，K；M 為相對分子質量；Z為壓縮系數；Fg為壓力恢復系數（氣體）；注：Cv=1.17 kV。

3.2 計算結果

按照上述公式計算Cv值以及開度詳見表4。

表4 Cv 值計算結果以及開度

4 結論

硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 蒸汽放空儀表調節(jié)閥改造后，完全達到嚴密切斷要求，閥門關閉狀態(tài)下泄漏量為零，同時在調節(jié)性能及噪音控制方面達到了設計目標，完全滿足現場工藝生產的要求。目前，先導式套筒調節(jié)閥已在多個化工企業(yè)各類氣體放空場合廣泛使用。