上海申弘閥門有限公司
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電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在化工芳烴裝置氣蝕防護(hù) 調(diào)節(jié)閥在化工氣蝕防護(hù) 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣蝕防護(hù)
之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在化工芳烴裝置氣蝕防護(hù)分析調(diào)節(jié)閥在流量控制過(guò)程中產(chǎn)生氣蝕的機(jī)理及其危害性，提出調(diào)節(jié)閥氣蝕破壞有效防護(hù)的方法，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)閥的使用壽命，保證調(diào)節(jié)閥的可靠性能，保證安全生產(chǎn)。在運(yùn)作效率及節(jié)省能源消耗方面，自動(dòng)控制閥的運(yùn)用是*的一環(huán)，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)界常用的手動(dòng)閥、氣動(dòng)閥，在安裝成本及效率上均不及電動(dòng)閥。業(yè)內(nèi)有關(guān)人士表示，閥類在工業(yè)流程上，大多用來(lái)控制各種流體的行進(jìn)及流量，如水、油、化學(xué)液體等，所依據(jù)的參數(shù)有溫度、壓力及流量等。而工廠常用的控制閥有減壓閥、氣動(dòng)式定溫閥、電磁閥定溫系統(tǒng)、比例式控制閥定溫系統(tǒng)、溫度控制閥等幾種類型。在選用各類自動(dòng)閥時(shí)，應(yīng)考慮熱機(jī)的種類、要求的精度、控制閥的品質(zhì)、壓降、流量及其構(gòu)造、故障率、廠家信用和售后服務(wù)等因素，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。就產(chǎn)品本身而言，因電動(dòng)閥具備裝配容易、故障率低以及符合業(yè)界自動(dòng)化需求的優(yōu)點(diǎn)，是業(yè)者較劃算的選擇。因?yàn)槭褂靡话銈鹘y(tǒng)氣動(dòng)閥，免不了要有配管、電磁閥及壓縮機(jī)等才能匹配，而電動(dòng)閥是以馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，安裝簡(jiǎn)易省事，且電動(dòng)閥安裝配合工廠原有的自控線路即可，可節(jié)省其他成本支出。此外，以馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式開閉較平順，無(wú)瞬間沖力過(guò)大的缺點(diǎn)，故障率可大幅降低。不少人都認(rèn)為電動(dòng)閥貴，使用成本高，其實(shí)不然，如果以整體計(jì)算，傳統(tǒng)閥要加上許多配件及管路安裝，價(jià)格并未占優(yōu)勢(shì)，反而要承擔(dān)較多的保養(yǎng)費(fèi)用。
1概述
芳烴裝置于2005年10月投產(chǎn)，已運(yùn)行多年。在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)蒸汽凝液調(diào)節(jié)閥氣蝕嚴(yán)重，先后出現(xiàn)了內(nèi)漏和外漏現(xiàn)象，在調(diào)節(jié)閥下線檢修期間，工藝操作人員需不斷的調(diào)整副線閥開度，控制換熱器溫度，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。此裝置蒸汽凝液調(diào)節(jié)閥8臺(tái)（蒸汽凝水從2.3Mpa減到0.7Mpa），在2008年發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題的調(diào)節(jié)閥5臺(tái)，占總量的62.5％。其中外漏的兩臺(tái)更換了白鋼閥體，剩余內(nèi)漏的3臺(tái)帶病運(yùn)行，給正常生產(chǎn)帶來(lái)隱患，縮短了調(diào)節(jié)閥使用壽命。利用2009年停車大檢修期間，采用提高材質(zhì)及多級(jí)降壓等方法，更換了全部蒸汽凝液調(diào)節(jié)閥，現(xiàn)運(yùn)行正常，沒(méi)發(fā)生內(nèi)漏和外漏現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，有效保證了安全平穩(wěn)生產(chǎn)。
2 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在化工芳烴裝置氣蝕防護(hù)氣蝕的產(chǎn)生原因
現(xiàn)裝置65%負(fù)荷情況下（設(shè)計(jì)能力是120％），8臺(tái)調(diào)節(jié)閥的閥位基本在全行程的50%以下進(jìn)行調(diào)節(jié)，有的甚至在5%~20%之間，致使調(diào)節(jié)控制過(guò)程中冷凝水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生了閃蒸和氣蝕現(xiàn)象。
2.1氣蝕產(chǎn)生原因
① 閃蒸與氣蝕
如果調(diào)節(jié)閥上的前后壓差（P1-P2）大于了介質(zhì)的zui大飽和壓差（△Pmax），那么就會(huì)產(chǎn)生閃蒸，由此再產(chǎn)生氣蝕，并對(duì)閥內(nèi)件及相鄰近的管道結(jié)構(gòu)造成破壞。
介質(zhì)通過(guò)截面zui小的節(jié)流口時(shí)流速是zui大的，流速（或動(dòng)能）的增加伴隨著壓力（或勢(shì)能）的大大降低，當(dāng)壓力低于介質(zhì)飽和蒸汽壓時(shí)，氣泡就會(huì)在介質(zhì)中形成，隨著節(jié)流口處壓力的進(jìn)一步下降，氣泡會(huì)大量地形成，在此階段閃蒸和氣蝕之間沒(méi)有本質(zhì)的差別，但是對(duì)閥門的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的破壞力，其特點(diǎn)是受沖刷表面有平滑拋光的外形，沖刷zui嚴(yán)重的地方是一般是在流速zui高處，通常位于閥芯和閥座的接觸線上或附近（圖1）。
汽蝕是材料在液體的壓力和溫度達(dá)到臨界值時(shí)產(chǎn)生的一種破壞形式，分為閃蒸和空化兩個(gè)階段。當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，由于閥座和閥瓣形成局部收縮的流通面積，產(chǎn)生局部阻力，使流體的壓力和速度發(fā)生變化（圖1）。當(dāng)壓力為P1的流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，流速突然急劇增加，靜壓驟然下降，當(dāng)孔后壓力P2達(dá)到或低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓力PV時(shí)，部分流體汽化成氣體，產(chǎn)生氣泡，形成汽液兩相共存現(xiàn)象，稱為閃蒸階段。在節(jié)流處后面，壓力逐漸恢復(fù)，升高的壓力壓縮氣泡，使氣泡突然破裂，稱為空化階段。氣泡破裂時(shí)所有的能量集中在破裂點(diǎn)上，產(chǎn)生幾千N的沖擊力，沖擊波的壓力高達(dá)2×103MPa，大大超過(guò)了大部分金屬的疲勞破壞極限，同時(shí)，局部溫度高達(dá)幾千℃。這些“過(guò)熱點(diǎn)”引起的熱應(yīng)力是產(chǎn)生汽蝕破壞作用的主要原因。
圖1閃蒸、汽蝕產(chǎn)生過(guò)程
②閃蒸與沖蝕
如果介質(zhì)通過(guò)節(jié)流口后，壓力仍低于介質(zhì)飽和蒸汽壓力，氣泡將保留在節(jié)流口后的流束中，我們稱之為閃蒸。閃蒸對(duì)閥門的閥芯會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，其特點(diǎn)是受沖刷的表面有平滑拋光的外形，沖刷破壞zui嚴(yán)重的地方一般是流速zui高的地方，通常位于閥芯和閥座的接觸線上或附近。尤其是在小開度，節(jié)流間隙小，流速高的環(huán)境下，沖蝕破壞也zui嚴(yán)重。因此，調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡量避免小開度工作。再好的調(diào)節(jié)閥，若長(zhǎng)期處于小開度工作，其壽命將成倍減小。
③氣蝕
氣蝕是材料在液體的壓力和溫度達(dá)到臨界值時(shí)產(chǎn)生破壞的一種形式，是一種水力流動(dòng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象既能引起調(diào)節(jié)閥流通能力kV減小，又能產(chǎn)生噪音、振動(dòng)及對(duì)設(shè)備的損害，進(jìn)而嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)閥的使用性能和壽命。也就是介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流口后介質(zhì)壓力恢復(fù)到介質(zhì)飽和蒸汽壓力以上時(shí)，氣泡會(huì)破裂或向內(nèi)爆炸，從而產(chǎn)生氣蝕。
氣蝕包括閃蒸和空化兩個(gè)階段。閃蒸階段，當(dāng)液體壓力低于液體蒸汽壓時(shí)，在液體中形成蒸汽泡，由液體攜帶氣泡的邊緣層向下游移動(dòng)。閃蒸是一種系統(tǒng)現(xiàn)象，調(diào)節(jié)閥不能避免閃蒸的產(chǎn)生，閃蒸產(chǎn)生侵蝕破壞作用，在零件表面形成光滑的磨痕，通過(guò)表面硬化處理就可以解決。空化階段，如果出口壓力大于液體蒸汽壓力，氣泡就會(huì)破裂或爆破，同時(shí)產(chǎn)生巨大的壓力沖擊波，并通過(guò)液體向外傳播，集中撞擊管道壁和閥內(nèi)零件，沖擊到相近的金屬表面上。氣泡破裂對(duì)金屬表面的沖擊類似于微流噴射，它能以104MPa的壓力，振動(dòng)和碰撞管壁。在液體內(nèi)，當(dāng)氣泡遠(yuǎn)離金屬表面破裂時(shí)，產(chǎn)生球形壓力波，此時(shí)，碰撞壓力約為103MPa，且微流噴射的影響未達(dá)到金屬固體壁。如果氣泡接近金屬表面破裂，微流噴射將直接沖擊金屬表面。
由于，蒸汽氣泡破裂釋放出能量，并產(chǎn)生一種類似于砂石流過(guò)閥門的噪音。如果氣泡在接近閥門內(nèi)的固體表面破裂，釋放出的能量會(huì)慢慢撕裂材料，留下蜂窩狀的小孔。氣蝕的破壞作用可能會(huì)延伸到鄰近的下游管道，導(dǎo)致了外漏現(xiàn)象的發(fā)生。雖然調(diào)節(jié)閥的閥芯與閥座在出廠時(shí)已做表面硬化處理，但對(duì)于氣蝕現(xiàn)象起不到任何防護(hù)作用（圖2）。
圖2汽蝕對(duì)金屬表面的影響
④閃蒸與氣蝕、沖蝕之間的關(guān)系
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥調(diào)節(jié)閥在小開度工作時(shí)，節(jié)流口流速更快，壓力更低，介質(zhì)中氣泡含量更多，因此，此時(shí)閃蒸破壞更嚴(yán)重，沖刷破壞是主要矛盾。在大開度工作時(shí)，主要矛盾是系統(tǒng)壓力恢復(fù)到飽和壓力以上時(shí)造成的氣蝕破壞。所以，在使用調(diào)節(jié)閥時(shí)應(yīng)盡量避免小開度工作，否則，閥很快會(huì)因氣蝕、沖蝕作用而破壞。
3 氣蝕對(duì)安全生產(chǎn)的影響
①不能平穩(wěn)生產(chǎn)。
由于調(diào)節(jié)閥在小開度下工作，氣蝕的破壞起主要作用，調(diào)節(jié)閥很快會(huì)出現(xiàn)內(nèi)漏和外漏現(xiàn)象，不僅增加泄漏點(diǎn)而且也給裝置的正常生產(chǎn)帶來(lái)不穩(wěn)定因素。
②影響產(chǎn)品質(zhì)量。
調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象時(shí)，需下線檢修，此時(shí)外操人員需在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作原閥的蒸汽加熱量，不但造成蒸汽的浪費(fèi)同時(shí)換熱器溫度也控制不穩(wěn)定，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)影響。
③產(chǎn)生噪音和震動(dòng)
當(dāng)蒸汽凝水流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，會(huì)在閥芯和閥座之間產(chǎn)生噪音和震動(dòng)，造成管線晃動(dòng)，嚴(yán)重的造成焊口斷裂，致使蒸汽凝水噴出傷人，給人身、設(shè)備安全帶來(lái)極大隱患。
4 保證安全生產(chǎn)的措施
4.1 閥體選用不銹鋼材質(zhì)，杜絕外漏發(fā)生。
氣蝕破壞與金屬的機(jī)械性能和抗腐蝕能力有關(guān)，因?yàn)榭箽馕g破壞主要是材料抵抗氣泡破裂時(shí)形成重疊凹坑的能力，它隨材料吸收能量的能力而改變。抗氣蝕破壞較好的材料應(yīng)具備堅(jiān)實(shí)和均勻的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)、變形能力大、抗拉強(qiáng)度和硬度高、加工硬化性好、疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強(qiáng)度高。韌性材料抗氣蝕能力要高于脆性材料，因此，氣蝕調(diào)節(jié)閥的閥體選用不銹鋼，提高了抗氣蝕能力，杜絕了外漏現(xiàn)象的發(fā)生，有效保證了安全生產(chǎn)。
4.2多級(jí)壓降分布，減低氣蝕的危害。
采用多級(jí)壓降和增加流體出口面積，可以有效地控制流體速度。控制流體速度(相當(dāng)于控制閥內(nèi)的壓力)是避免氣蝕的有效手段，其目的是使閥內(nèi)壓力高于流體zui低壓力蒸汽壓，避免蒸汽氣泡破裂，較好的避免了閥內(nèi)的氣蝕，閥內(nèi)的壓降可以分成幾段來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)閥上的壓降產(chǎn)生在多級(jí)閥瓣上時(shí)，總壓降被劃分成幾個(gè)較小的連續(xù)壓降，在下一個(gè)節(jié)流級(jí)之前，流體壓力被允許恢復(fù)到中間壓力，一直到zui后的壓降，使氣蝕消除在一個(gè)較大的延伸區(qū)內(nèi)，避免了氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
4.3調(diào)節(jié)閥選型是解決氣蝕的主要因素。
調(diào)節(jié)閥的選型將影響其對(duì)氣蝕的敏感性。調(diào)節(jié)閥一般有兩種形式，即低復(fù)原閥門(如截止閥等)和高復(fù)原閥門(如球閥和蝶閥等)。這兩種形式的閥門在進(jìn)口壓力和壓降相同的情況下，流體通過(guò)收縮截面時(shí)，高復(fù)原閥門的閥后出口壓力恢復(fù)遠(yuǎn)大于低復(fù)原閥門。對(duì)截止閥而言，其通道的幾何形狀和湍流存在，會(huì)產(chǎn)生很大的流體阻力，因此，在閥后出口壓力不會(huì)恢復(fù)很多。而對(duì)球閥而言，其進(jìn)口流體阻力不大，在閥后出口壓力恢復(fù)很多，如圖3所示。
圖3高低壓力恢復(fù)閥門的壓力比較
調(diào)節(jié)閥在安裝使用之前，做好選型工作，可以zui大限度避免氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)閥的使用壽命，使調(diào)節(jié)閥在自動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，節(jié)約蒸汽用量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效保證人身、設(shè)備安全，為安全生產(chǎn)提供有力保障。
5 結(jié)束語(yǔ)
芳烴裝置蒸汽凝水調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的氣蝕現(xiàn)象，縮短了設(shè)備的使用壽命，耗費(fèi)了大量的人力和物力，通過(guò)合理的選擇閥體材質(zhì)、閥門結(jié)構(gòu)、閥開度大小，有效地控制氣蝕所帶來(lái)的破壞，確保了設(shè)備安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
