黑水調節角閥的氣蝕分析及改造方案

僅供參考

   渭化集團公司合成氨裝置灰水處理工段于1996年元月投入試運行，隨著1號氣化爐的投料試車而進入了試生產階段。洗滌水給水槽(V1408)的灰水回流調節角閥FV-1404和FV-1405在投用后不到半年的時間內，曾于1996年5月中旬閥體被介質點狀蝕穿而進行過一次補焊修復。修復后的調節角閥在運行了僅僅2個月之后，于1996年7月間再次被流體蝕穿，引起停車一次。經檢查，閥體內壁及節流元件成海綿狀，已被嚴重的腐蝕與氣蝕。為了試生產的繼續進行，采取了兩項措施：一是向日本宇部公司索賠同型號同規格的灰水調節閥。二是對蝕壞的閥體采用超低碳不銹鋼焊條對閥體內壁實施大面積堆焊，以較短的時間復位。經過搶修之后繼續使用的這兩臺調節角閥，由于內部結構已經嚴重蝕壞，失去了調節作用，只能作為連通管道使用。

    1 黑水調節角閥腐蝕與氣蝕的原因分析

      造成FV-1404和FV-1405灰水調節角閥損壞的原因主要有兩個，排在頭一位的是腐蝕，第二是氣蝕。

      通過調節角閥的介質是含有細灰的灰水，工作壓力7.4MPa，壓差7.26MPa，調節角閥出口壓力0.14MPa，介質溫度為11O℃，灰水通過調節角閥恰恰處于這一溫度下的飽和蒸汽壓力附近(0.15MPa)，經過節流后閃蒸流體，在壓力恢復區氣泡炸裂，釋放出強大的能量氣蝕了閥體的內壁。

      另外，洗滌水呈堿性，pH值為9.0~9.6。而原設計中調節閥鑄件閥體的材料是ASTM A217 Gr-WC9，屬于一種合金結構鋼的鑄件形式，相當于國產鋼的ZG15CrMo1V鋼號，是非耐酸鋼，對堿性介質缺乏足夠的耐蝕能力，因此導致了閥體及內件的快速腐蝕。

      2 黑水調節角閥操作產生振蕩

      研究FV-1404、FV-1405的腐蝕與氣蝕現象與操作過程中產生振蕩的問題，對后來新增P-1406的3號、4號泵出口回流閥的選型有好的指導意義。

      2.1 設計條件

      工藝介質：灰水；
      較大流量：85m3/h；
      工作溫度：110℃；
      上游壓力：7.4MPa；
      下游壓力：0.14MPa；
      閥關壓差：8.9MPa；
      比    重：0.950；

      原設計調節閥型號：37-21125(執行機構隔膜的有效直徑為De=33cm，氣關閥)；形式：GLOBE閥，非平衡柱塞型閥內件，4B×1-1/2：供氣壓力：250kPa；流向：流開。

      2.2 黑水調節閥有效輸出力計算

      執行機構輸出力與作用于閥內件的較大不平衡力的計算如下。

      執行機構的較大輸出力Fmax：

      Fmax=Ae?(Pe-Po-Pt-Pf)?10-4?103

              =(33)2/4?π?[(250 - 20)- 20 - 80 - 15] ?10-4?103

              = 9830.95(N)

      式中 Ae——表示隔膜的有效面積(m3 )；
             Pe——表示供氣壓力(kPa)；
             Po——彈簧啟動壓力(kPa)；
             Pt——彈簧范圍(kPa)；
             Pf——填料摩擦力的等效壓力損失；

      氣源管路及閥門定位器壓力損失不計。閥關壓差下的較大不平衡力Ft：

      Ft =  π/4?(dg2?△Pmax + ds2?P2)?10-4?103

          = π/4?[(3.8)2?(8.9×103- 0.14×103)+(1.3)2×0.14×103] ?10-4?103

          = 9948.40(N)

      式中 dg——閥座通徑(cm)；
              ds——閥桿直徑(cm)。

      根據計算，執行機構的有效輸出力Fe為：

      Fe= F - Ft

         = 9830.95 - 9948.40

         =-117.45(N)

      根據計算，有效輸出力為負值，其結果是由于執行機構輸出力的不足，產生閥位上下振蕩。

      3 解決問題的辦法

      3.1 提高閥門定位器的供氣壓力

      為了消除閥位上下振蕩，在沒有對調節角閥實施改造的情況下，只有一個的辦法是提高閥門定位器的供氣壓力，以達到提高輸出力的目的。所以，將供氣壓力提高到280kPa(凈提高量為30kPa)。此時執行機構的輸出力為：

      F' =F+30×104×103?Ae

         = 9830.95 + 30×10-4×103×(33)2/4? π

         = 12395.545(N)

      因為|F'|>|Ft|，所以閥位不會產生振蕩。

      3.2 回流調節角閥的技術改造

      通過對FV-1404和FV-1405運行狀況的論證分析，再根據計算得出的結果，可以得出原設計對FV-1404和FV-1405調節角閥選型錯誤的結論。為了增強其抵抗氣蝕與腐蝕的能力，提高調節質量與可靠性，必須實施技術改造。

      籠式調節角閥，是專門針對存在氣蝕與噪聲的工況而設計的一種調節角閥。采用平衡型閥內件的籠式閥，不僅能夠有效地克服靜態與動態不平衡力，而且通過對閥籠的巧妙設計，可以把高壓差流體攜帶的能量，分級降低或抵消在籠內，減少或消滅閃蒸與氣蝕產生的條件。除此之外，合理選擇閥體及閥內件材料，達到耐蝕的目的。

      4 灰水調節閥改造效果及推廣應用

      較初對FV-1405的改造采用了FISHER公司的657/40-3”ET籠式閥，閥體采用CFSM SST Cast材質，閥內件采用17-4PH SST及416 SST材質，運行效果良好，有效地降低了氣蝕并消除了振動，無故障運行時間達到了4個月以上。

      通過對閥內件的仔細觀察發現，仍有少量氣蝕現象發生。換句話說，閥籠對流體在通過節流口之前，對流體能量的消耗能力不夠。在流體收縮斷面，部分流體的壓力仍低于工作溫度下的飽和蒸汽壓。

      在1406-3泵和1406-4泵項目上，回流閥采用雙層籠式閥，分階段地壓力降使閃蒸受到抑制，由于控制了流體的運動速率及減輕了流體的沖撞，調節角閥內部構件的壽命延長，流關式的結構不但消除固體顆粒的危害，而且使閥門關閉嚴密。

      目前，FV-1404A調節閥、FV-1404B調節閥的無故障運行周期至少在一年以上。

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