高差壓蒸汽調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂的修復研究

陸冰(國能包頭煤化工有限責任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

高溫高壓蒸汽減溫減壓調(diào)節(jié)閥(閥前/閥后壓力：10.0/4.2 MPa；閥前/閥后溫度：550/450 ℃)是各類大型化工企業(yè)全廠透平壓縮機組動力蒸汽供給的關鍵設備，承擔著全廠透平機組動力蒸汽壓力、溫度、流量調(diào)解的重任，是保障化工裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)的重要保障。

某煤化工企業(yè)共有2套10.0/4.2 MPa減溫減壓器，承擔著熱電裝置向化工裝置蒸汽管網(wǎng)供汽壓力及流量調(diào)解的任務，工藝工況為：閥前/閥后壓力：10.0/4.2 MPa；閥前/閥后溫度：550/450 ℃；額定流量0～200 t/h。

頻繁出現(xiàn)閥桿斷裂的調(diào)節(jié)閥為“二線減溫減壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)閥”。該調(diào)節(jié)閥類型為氣動籠式調(diào)解閥，為某知名進口品牌原裝產(chǎn)品。閥門規(guī)格為6″(152.4 mm)、2 500 LB(42.0 MPa)，閥體材質(zhì)WC9、閥芯材質(zhì)316SS+STELLITE、閥桿材質(zhì)316SS，閥桿與閥芯連接方式為螺紋+銷釘連接。該調(diào)節(jié)閥于2010年1月投入使用，2011年11月、2012年12月22、2013年3月6日發(fā)生閥桿斷裂故障[1]。

1 設備現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥故障情況

該調(diào)節(jié)閥于2010年1月投入使用，2011年11月、2012年12月22日、2013年3月6日發(fā)生閥桿斷裂故障。其中，2013年3月6日11時22分該閥桿斷裂導致二線減溫減壓器供汽流量及供汽壓力飛升：故障前運行工況為：鍋爐產(chǎn)汽及化工供汽負荷正常：鍋爐產(chǎn)汽(調(diào)節(jié)閥入口)參數(shù)為547 ℃、9.85 MPa；化工供汽參數(shù)為443 ℃、4.21 MPa；閥門開度為46%；實時蒸汽流量142 t/h，各項參數(shù)處于持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，在本次故障前發(fā)生過3次閥桿轉(zhuǎn)動(閥桿轉(zhuǎn)動原因為閥桿與執(zhí)行機構(gòu)推桿連接塊松動，閥芯在介質(zhì)流動的沖力下帶動閥桿轉(zhuǎn)動)并導致閥位波動的故障(閥位波動約3%左右)，通過增加閥桿限位支架解決了閥桿轉(zhuǎn)動問題。閥位、調(diào)節(jié)閥出口流量及壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)；故障現(xiàn)象為：供汽流量由142 t/h增至滿量程，4.2 MPa母管壓力由4.19 MPa增至5.22 MPa，致使二線減壓器后安全閥動作、二線減壓器出口管線劇烈震動工藝管線內(nèi)襯短接脫落、供汽管線安全閥動作，并導致二線減壓間的彩板房坍塌，因為該工藝管線的安全閥放空管線從板房頂棚引出，安全閥超壓動作后放空管產(chǎn)生劇烈擺動(從放空管卡箍脫離判斷)，彩板房頂棚受放空管擺動沖擊導致板房坍塌[2]。

1.2 故障原因分析

解體調(diào)節(jié)閥，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥閥桿與閥芯的連接銷釘斷裂(斷裂痕跡為舊痕跡)閥桿在其與閥芯連接處的螺紋末端斷裂(新痕跡)。造成閥門閥桿斷裂、閥芯脫落的主要原因是：閥芯閥桿連接結(jié)構(gòu)為螺紋+銷釘結(jié)構(gòu)，且閥桿與閥芯連接處的末端螺紋車削加工存在應力痕成為應力薄弱點，致使銷釘、閥桿在多重作用力的沖擊下斷裂。供汽管線安全閥動作，并導致二線減壓間的彩板房坍塌，因為該工藝管線的安全閥放空管線從板房頂棚引出，安全閥超壓動作后放空管產(chǎn)生劇烈擺動(從放空管卡箍脫離判斷)，彩板房頂棚受放空管擺動沖擊導致板房坍塌。擺動的原因為：安全閥出口管線放空彎頭處無淚眼設計，安全閥輕微泄漏導致彎頭處結(jié)冰、放空口堵塞，安全閥動作后蒸汽沖擊力所致[3]。

2 研究內(nèi)容與預期目標

(1)改進高壓差調(diào)節(jié)閥閥芯/閥桿連接結(jié)構(gòu)及加工工藝，消除系統(tǒng)應力薄弱點，提升閥桿機械強度，避免閥桿斷裂事故；

(2)升級高溫高壓調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件材質(zhì)，提升調(diào)節(jié)閥適用性。

3 實施方案

(1)改進閥芯(圖1)和壓板結(jié)構(gòu)，提升閥芯與閥桿連接點抗外力(不平衡力+彈簧推力)的機械強度；

圖1 原裝調(diào)節(jié)閥閥桿閥芯實物圖

(2)解決該調(diào)節(jié)閥用于化工裝置供汽(蒸汽減溫減壓器)工況，存在前后差壓大、開啟背壓大、閥芯閥桿連接點受扭力+剪切力+振動應力等多重作用，導致常規(guī)閥芯閥桿連接處在外力因素下出現(xiàn)螺紋松動、及剪切斷裂等問題[4]；

(3)原閥芯部件采用閥桿與閥芯兩體結(jié)構(gòu)，閥桿外螺紋與閥芯內(nèi)螺紋配合連接，閥桿外圓長度10 mm進入閥芯內(nèi)孔，屬于小間隙配合，以保證閥芯閥桿的同軸度要求。并且閥桿閥芯連接處采用銷連接，防止螺紋松動，閥桿與閥芯脫落現(xiàn)象。由于此法閥門為蒸汽減壓閥，閥門前后壓產(chǎn)大，閥門在調(diào)節(jié)減壓過程中產(chǎn)生閥芯的高頻振動。閥芯閥桿采用的螺紋連接，以及閥桿導向與閥芯導向之間本就存在的間隙會使得閥桿的局部產(chǎn)生金屬疲勞現(xiàn)象發(fā)生。而閥桿最薄弱的部位就是閥桿打銷孔的地方，高頻振動極易使得該部位產(chǎn)生金屬疲勞現(xiàn)象造成閥桿斷裂。事實證明，閥桿在更換后使用一周后閥桿斷裂，斷裂部位就是銷孔位置，并且是連續(xù)三次在同一部位斷裂。

針對此故障的發(fā)生進行仔細研究，要解決此故障的繼續(xù)發(fā)生，其一，必須更改它的連接形式，對閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)在原有基礎上進行改造升級，提升閥桿與閥芯連接處的機械強度。

其二，原閥門材質(zhì)選用的為閥芯、閥桿均為2Cr13材質(zhì)。閥門材質(zhì)在工程上的實際應用環(huán)境條件是十分復雜的，不同的介質(zhì)、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力等操作條件的組合，構(gòu)成了無數(shù)個選材條件，經(jīng)實踐驗證，該調(diào)節(jié)閥內(nèi)件原材質(zhì)對高溫高壓工況適用性無法滿足長周期穩(wěn)定運行的要求，閥部件采用9CrMoV材質(zhì)，閥芯頭部位采用均布堆焊合金材料。本次改造閥芯部件均采用9CrMoV材質(zhì)；原先導式預啟閥芯彈簧材質(zhì)在長期高溫狀態(tài)下易產(chǎn)生疲勞，失去彈性狀態(tài)，在改造過程中對原彈簧進行了材料升級，采用Inconel718材料，確保閥門在高溫狀態(tài)下保持足夠的彈性，防止閥門大小閥芯因為彈簧失去彈性而造成大小閥芯之間產(chǎn)生相對位移，閥門運行時，加劇閥門的振動。先導閥小閥芯的兩個防轉(zhuǎn)銷也采用Inconel718材料以確保閥芯振動時防轉(zhuǎn)銷有足夠的強度克服金屬的相互磨損。閥內(nèi)件、彈簧升級后材質(zhì)性能如表1所示[5]。

表1 閥內(nèi)件、彈簧升級后材質(zhì)性能表

改進后的閥芯結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示。

圖2 改造后閥內(nèi)件裝配圖

圖3 防轉(zhuǎn)銷安裝位置示意圖

其三，該閥原始設計期間為降低開啟差壓，采用了增設先導式預啟閥芯結(jié)構(gòu)，且預啟閥芯與閥桿為鑲套式分體結(jié)構(gòu)，在閥門初始開啟階段預啟閥芯與閥桿之間易產(chǎn)生相對位移，進而導致預啟死區(qū)(小閥芯行程死區(qū))、無法快速有效降低主閥芯開啟差壓、閥門噪聲偏高等問題。在本次改造中，對先導閥小閥芯與閥桿改進為一體式，閥桿與小閥芯采用圓弧過度連接確保連接強度；小閥芯與防轉(zhuǎn)法蘭設計為分體結(jié)構(gòu)，小閥芯外圓加工為扁和法蘭的內(nèi)扁配合。大閥芯與法蘭盤通過兩個定位銷保證了二者的定位關系，同時法蘭盤與先導閥小閥芯閥桿一體結(jié)構(gòu)通過內(nèi)外扁確定了相互位置關系，最終實現(xiàn)了閥桿與大閥芯的位置關系，防止閥芯在介質(zhì)的作用下轉(zhuǎn)動現(xiàn)象的發(fā)生，大小閥芯分體設計可以降低成本便于機械加工，降低加工難度[6]。

4 防范措施及建議

嚴苛工況調(diào)節(jié)閥內(nèi)件的結(jié)構(gòu)、加工工藝及加工精度都會對閥門對工況的適用性產(chǎn)生直接影響，在高流速、高差壓等工況的閥門選型及閥內(nèi)件細節(jié)設計方面要引起高度重視。在嚴苛工況調(diào)節(jié)閥選型時，應重點關注類似工況以往的典型故障，與制造廠開展深入技術探討及交流，避免制造商在設計階段出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。閥內(nèi)件的結(jié)構(gòu)、加工情況在閥門驗收期間無法直觀觀察，對重要的調(diào)節(jié)閥，必要時可進行工廠監(jiān)造及驗收，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷及制造缺陷。

工程上應首先選用標準材料，對必須選用的新材料，應有完整的技術評定文件，并經(jīng)過省級及其以上管理部門組織技術鑒定，合格后才能使用。對必須進口的材料，應提出詳細的規(guī)格、性能、材料牌號、材料標準、應用標準等技術要求，并按國內(nèi)的有關技術要求對其進行復驗，合格以后才能使用[7]。

對安全閥出口放空管線低點開設淚眼，實現(xiàn)凝液的排放，消除了凝液凍結(jié)導致放空管堵塞的隱患。

5 相關知識要點—應力痕與應力角

在金屬零部件肉厚突變、變徑車削、螺紋收口等部位通常會有一種應力缺陷，叫做應力痕(如圖4所示)。

圖4 原閥桿加工存在的應力痕

上述部位在接近末端處，改用R型車刀加工成弧面，則可以消除應力缺陷，這個弧面叫做應力角，該應力角可有效消除機架缺陷導致的應力薄弱點。

6 結(jié)語

目前，改造后的調(diào)節(jié)閥已連續(xù)運行10年，徹底解決了閥桿斷裂的疑難問題，調(diào)節(jié)閥內(nèi)件使用壽命明顯提升，閥門運行及負荷調(diào)整期間閥門噪聲由原來的85 dB將至71 dB(拒閥門1 m檢測數(shù)據(jù))，閥門蒸汽壓力調(diào)解的穩(wěn)定性明顯提升，實現(xiàn)了高差壓調(diào)節(jié)閥連續(xù)運行10年無故障的突破。