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  • 进口调节阀喘振分析与处理
    发布日期:2016-11-5


    在炼油化工生产装置中调节阀是非常重要的执行单元,在自动控制系统中起着举足轻重的作用。一旦调节阀出现故障,整个自动控制系统将无法实现自动控制。阀内件在工艺生产过程中由于工况改变,或者选型偏差,随着运行时间的延长阀内件会出现损坏。而这种故障在生产中是比较难判断的。

    1 调节阀喘振分析

    某装置进料调节阀自从维修以后,投用不久便出现上下窜动,暂且称这种现象为喘振。动作幅度大概为3%行程的高频振荡,进料量有2%左右波动(总进料量为450t/h),随后填料出现渗漏。由于阀门没有副线不能进行维修,为了维持生产将调节阀用手轮压住。这样虽然避免了喘振但是阀杆的振动传递给执行机构,导致执行机构振动很大,最大到16mm/s。以下逐步分析。

    1.1 运行工况分析

    装置为煤柴油加强裂化,进料调节阀位于进料泵与反应器之间。泵出口压力为15.98MPa,反应器入口压力为11.96MPa,阀门前后压差为4MPa,温度为130℃。阀门选型为等百分比的费希尔调节阀,型号为EHT,为8寸,1500LB,阀门为普通的笼式阀。为了便于比较分析本文将设计参数和厂家选型参数列表如表1、表2。

    表1 阀门设计参数

    表2 厂家选型参数

    通过表1和表2,可以知道设计工况阀前压力是14MPa,压降为0.4MPa,而实际压降却是4MPa,远远超出设计。其他参数差别不大。普通的笼式调节阀在这个高压差的环境下运行,阀门的性能和寿命是要大打折扣的。

    1.2 调节阀闪蒸,空化的分析

    在高压差下工作的阀门首先会考虑到流体的冲刷,如果是含有颗粒状物体的流体冲刷那就更厉害了,阀内件的损坏就会比较快。本案例除了冲刷还考虑闪蒸和空化的问题。

    当不可压缩流体通过调节阀时,根据伯努利方程可知,流道截面积变小,流速变大,静压降低。如图1所示,阀前压力P1一定,阀后压力逐渐降低时,缩流截面的压力PVC低于该流体的饱和蒸汽压,就会出现两相流。如果阀后压力不能恢复到饱和蒸汽压以上,气泡不会破裂,并伴随流体流出调节阀,这个过程叫做闪蒸;如果阀后压力恢复到饱和蒸汽压力以上,气泡会不断破裂,这个过程叫做空化或者气蚀。蒸汽气泡破裂释放出能量,并产生一种类似砂石流过阀门的噪声。如果气泡在接近阀内件金属表面破裂,则产生的能量会撕裂材料表面或者造成材料表面脱落。闪蒸破坏的特点是有平滑的抛光外形,而空化则会造成阀内件类似煤渣的粗糙表面。

    图1 阀内压力梯度图

    当阀前压力P1一定时,压力恢复系数FL

        (1)

    式(1)中P2为阀门后压力,Pvcr为产生阻塞流时缩流断面的压力,由于难以测量一般计算时用FF×PV代替,FF为液体临界压力表系数,PV为入口温度下液体的饱和蒸汽压,PC为液体临界压力。

    液体临界压力比系数:

        (2)

    此调节阀介质是煤油,初馏点为120℃,10%点为170℃。选取中间一种烃类,测试一下有无闪蒸。选取辛烷,其沸点为125.6℃,临界压力为2.49MPa,调节阀入口温度为140℃,在此温度下辛烷的饱和蒸汽压为148KPa,压力恢复系数FL可以从厂家样本中查得。

    不可压缩流体闪蒸、空化判断公式:

    ΔP=FL2(P1-PV)    (3)

    根据公式(3)计算得到P1-P2>ΔP,阀门内部会有轻微闪蒸、空化。

    1.3 检修情况分析

    阀门在2013年出现突然波动的情况,经检查定位器和执行机构没有问题。阀门振动很大,为16mm/s,一般正常阀门比较小,为4mm/s左右。阀门振动大可能是高压流体冲击阀芯、阀笼,阀芯和阀笼产生摩擦、振动并传导给阀体和执行机构。当时怀疑阀内件出现了问题。在拆检时发现阀笼有凹槽,如图2所示。根据凹槽位置及运行情况可以推测,凹槽是阀门长时间保持在30%的阀位下,流体冲击阀芯与阀笼,阀芯与阀笼长期碰撞产生了磨损。厂家将阀笼进行补焊,然后切割打磨后,重新组装。

    图2 阀笼内壁凹槽

    1.4 阀门喘振分析

    开工后一个月,阀门便出现上下窜动,随之而来的是填料泄漏。导致阀门无法自动运行。当流体进入阀门后会对阀门产生一个冲击力,冲击力会产生水平和垂直方向的分力。水平分力作用于阀芯,阀芯联动阀杆挤压填料,长期作用使得填料产生形变,从而减少了阀杆和填料的摩擦力。垂直分力使得阀芯向上运动,当垂直分力大于气缸的推力和阀杆与填料的摩擦力以及运动部件自身的重力时,阀门变化向上运动。运动过程中,阀位偏离设定值,使得定位器输出变大,动力风作用于活塞使得阀门向下运动,当阀位接近设定值时,定位器输出减小,使得阀芯向上的合力增大,阀门又向上运动。这样来回拉扯,阀门以一定频率上下窜动。

    阀门维修后出现窜动情况,考虑可能是因为阀笼切割过程使阀芯与阀笼间距变大,或者出现某一斜度平面,内部形成向上涡流,导致流体对阀门的冲击加剧。阀笼切割后如图3所示。维修后的阀笼表面会有明显的凹凸面。

    图3 阀笼维修后图片

    2 解决方案

    方案1:由于阀笼已经进行切割,再次修复难度比较大,可考虑整体更换阀笼阀芯,让厂家提供新的阀笼阀芯。但是这种方案指标不治本,由于阀门压降很大,不久就会再次损坏阀内件。

    方案2:考虑到目前的工艺状况,由于阀门压降大、流速高,可以通过降低流速来减小流体对阀门的冲击。在工艺条件不变的情况下,可通过降压装置来降低调节阀前压力。如可选择多级降压抗气蚀调节阀,通过阀笼的多级降压孔来降低流体压力,这样阀芯受流体的冲击力减小了许多,可使阀内件的磨损减少,寿命延长。还有一个方面是要尽可能的增加阀内件的硬度,硬度高,耐流体冲刷。

    3 结束语

    本文对阀门出现故障的现象过程进行详细的描述,对阀门是否存在闪蒸、空化进行判断。阀门拆检后发现阀笼凹槽,可能是因为闪蒸、空化加上流体冲击造成的。阀门喘振考虑到阀笼切割后出现凹凸不平面造成流体对阀芯向上力度增大,气缸压不住造成。在阀门设计选型的时候一定要避免出现闪蒸、空化的现象存在。现在很多厂家计算软件都具有闪蒸、空化提醒功能,只要提供参数正确即可避免。对于流体压降比较大的,可采用多级降压阀门来逐步降低流体压力以减缓流体对阀门的冲击。在阀门选型时一定要确保参数准确,优化设计,正确的选型可以提高阀门使用寿命,确保安全生产。

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