091PV155高压蒸汽减压阀运行分析与改造设想

091PV155高压蒸汽减压阀运行分析与改造设想肖书舟(中国石化股份公司安庆分公司物供中心,安庆246001)摘要：通过分析091PV155高压蒸汽减压阀的结构特点，阐述该阀的运行现状与故障原因，并提出采用先导式平衡阀芯结构和阀芯套筒式导向结构的改造设想。主题词：高压蒸汽减压阀运行故障分析结构改造设想安庆分公司化肥二部有两台意大利“PIGNONE”生产的蒸汽减压阀，位号为091PV155和091PV164，分别是高压蒸汽减压阀和中压蒸汽减压阀。它们在工艺上的作用都很重要，特别是091PV155（以下简称为155阀）是蒸汽系统关键控制点，安装于合成气压缩机透平旁路，它的运行状态的好坏，直接影响到化肥板块的安全生产。事实上，该阀经常发生滞后或阀卡等故障，曾给化肥板块的安全生产带来巨大威胁。同时，现在购买该阀整台备件，价格极其昂贵。因此，本文将从它的工艺作用、结构特点等方面着手，分析该阀的故障原因和现状，并提出采用先导式平衡阀芯结构和阀芯套筒式导向结构进行改造的设想。一、155阀的工艺作用二、155阀的性能参数和结构特点三、155阀的故障分析和运行现状四、155阀的改造设想目录一.155阀的工艺作用图一155阀的工艺自控图一.155阀的工艺作用图一为155阀的工艺自控图，其作用是：(1)开车时，来自电厂的高压蒸汽通过155阀减压后进入中压蒸汽管网，以保持高压蒸汽管网压力稳定；(2)当KT1501开车时，随着其转速的提高，155阀的开度逐渐减小，直到关闭；(3)正常生产时，155阀处于关闭状态，高压蒸汽全部进入KT1501，KT1501耗用约40T/h，剩余部分抽出并入中压蒸汽管网；(4)当KT1501事故停车时，155阀应立即打开，使原进入KT1501的高压蒸汽改由155阀减压后进入中压蒸汽管网；若155阀不能满足这一要求，高压蒸汽管网就会超载，高压蒸汽安全阀就会起跳，而导致工艺、设备事故的严重后果。化肥油改煤项目中，对高压蒸汽管网进行了改造，增加了高压蒸汽压力控制阀（PV1000）和手操放空阀（HV1001），完善了高压蒸汽系统的控制，大大降低了155阀的故障风险。二.155阀的性能参数和结构特点2.1性能参数155阀的性能参数见下表：型号1000BE流通能力(Cv)219公称通径8”设计耐温510(℃)芯径6”工作温度490(℃)压力等级1500LB蒸汽密度31.794(kg/m3)连接形式BW正常入口压力101(kgf/cm2)流量特性LINE最大入口压力117(kgf/cm2)额定行程80(mm)正常压差63(kgf/cm2)膜头尺寸450(mm)最大压差79(kgf/cm2)内件材质17-4PH正常流量5616(m3/h)弹簧范围1.96-3.62（bar）最大流量6514(m3/h)气源压力4.2（bar）最小流量3931(m3/h)二.155阀的性能参数和结构特点2.2结构特点图二阀体部件结构图155阀的阀体部件结构见图二，其特点如下：(1).阀笼这是该阀最关键的部件，它由内笼（阀座）和外笼两部分组成。该阀能把高压蒸汽减压到中压蒸汽就是通过阀笼来实现的。此阀笼流路长而复杂，造成较大的阻力系数，使介质蒸汽在阀体内腔里能耗增大，从而达到减压的目的。从调节阀的节流原理来看(ξ—调节阀的阻力系数,A—调节阀连接管的横截面积)由于流路复杂，ξ较大，并且随着开度的变化，ξ变化较小，而且阀上压降占系统压降的比值S较大，接近于1，管道上的压力降所占比重很小，这就使阀由全关到全开时，阀上的压降变化很小，基本保持恒定，从而满足了工艺压降稳定的要求。二.155阀的性能参数和结构特点PAQ2二.155阀的性能参数和结构特点同时，该阀笼还具有降噪音的特点，其降噪音能力和阀的流量特性由阀笼级数及其上所开孔的大小、数量和排列来决定。(2).阀芯该阀芯很长（1283mm），两头粗（φ130mm），中间细（φ52mm）,阀芯密封截断尺寸稍大（φ135mm），由于上下受力面积相差不大，故阀芯所受不平衡力较小，属于内平衡式阀芯结构，其两头导向部分和密封截断面处堆焊司特立合金，以增加硬度。(3).执行机构该执行机构是气动膜片和活塞（有效直径φ450mm）混合型结构，输出推力较大，行程较长，且由于活塞膜片的有效面积在动作过程中变化很小，弹簧刚度、材料性能稳定，所以执行机构的理想线性较好。三.155阀的故障分析和运行现状3.1故障分析155阀在我厂装置的开车与运行中曾发生过多次故障，严重威胁过全厂正常开车或运行中的设备安全。在2001年度的大修开车、运行及停车中也不例外。其故障归结为以下三个方面：(1).动作滞后，有阀卡现象。造成阀卡的原因如下：执行机构输出力不足够大该阀的弹簧范围为1.96-3.62（bar），而气源压力定为4.2（bar），在正常情况下，其输出力是够的，但如果该阀在运行中由于意外原因（如填料过紧、阀芯弯曲等）造成摩擦阻力增大时，输出力就明显不够，造成卡死。又因为该执行机构是气动薄膜混合型结构，其输出力除在两个端点外，都不能达到最大，很容易造成滞后。三.155阀的故障分析和运行现状阀芯不同轴度和弯曲变形，造成摩擦副之间摩擦力增大。该阀芯最早采用三段式阀芯，后因同轴度达不到要求而改用一段式平衡阀芯，阀芯的平衡式与Cv值要求其中间颈部不能过粗，在64kgf/cm2的压差与侧向力作用下，该阀芯极易弯曲变形。另外，对于17-4PH材质的阀芯，长期在高达510℃高温中运行是不合适的(17-4PH的理论最高操作温度不高于427℃)，存在材质高温蠕变问题，这也是阀芯变形的重要原因。阀体部件的相对运动件发生拉毛，造成阻力增大。155阀的阀体部件的相对运动件包括阀芯与阀笼、阀芯与上下导向套、阀芯与上下填料及压盖等，在长期运行中，由于侧向力、同轴度及弹簧座与阀芯的垂直度等因素的影响，导致相对运动件之间发生拉毛现象，影响到它们的表面粗糙度，最终造成阻力增大。三.155阀的故障分析和运行现状密封填料的摩擦力较大。原155阀的填料是石墨石棉盘根，压紧了抱得过死，压松了造成外漏，后改为柔性石墨填料，既增强了自润滑能力，又提高了密封效果。但是，若柔性石墨填料的内径过小或阀芯导向部分的表面粗糙度降低，其摩擦力将大大增加，甚至将直接导致阀卡，强行运动将导致柔性石墨填料的损坏而造成严重泄漏。事实上，155阀的实际弹簧线性很不理想，单校膜头时，其最大变差高达8%，甚至超过10%以上，整体单校时，其最大变差高达12%以上，甚至超过20%，带定位器联校时，其最大变差也高达8%以上（按要求：单校膜头最大变差低于5%，带定位器联校最大变差低于3%），当压缩机跳车时，工艺要求其开度快速达到25%，在摩擦阻力增大的情况下，确实难以实现。我们曾采取在其下填料处备用一小型气缸，必要时用来增加推力。三.155阀的故障分析和运行现状(2).阀笼损坏，减压能力丧失。该阀内外阀笼最早采用三只M6顶丝固定，我们曾在大修中发现155阀芯外笼顶丝断了两根，外笼碎裂，阀笼外圈面上的隔片大部分断裂，减压能力大幅降低。其主要原因有：外笼固定强度不够；隔片根部圆角过小造成隔片根部应力集中；内外阀笼间隙过大，顶丝固定不牢，易受到高压蒸汽的冲击而发生振动和撞击。我们将备件的隔片根部圆角增大，安装时取消顶丝，内外阀笼采用6点均匀点焊致牢后，未发生阀笼损坏现象。三.155阀的故障分析和运行现状(3).密封填料泄漏。155阀的工艺条件苛刻，在各种因素的影响下，即使采用了柔性石墨填料，也经常发生外漏现象，尤其下填料泄漏显著，曾发生过必须采用带压堵漏以维持正常运行的情况（因为下填料承受着入口压力的冲击）。三.155阀的故障分析和运行现状3.2运行现状根据上述分析，我们曾对现场155阀采取过以下改进措施：①提高仪表气源压力到0.5MPa（G），以增大执行机构输出力；②减小上下填料装填压紧力，增大柔性石墨填料的内径至φ130mm，以减小填料的摩擦力；③提高阀体部件相对运动件的表面粗糙度，减少意外阻力；④降低弹簧预紧力，并尽量减少其它意外因素，尽量增大阀芯的推力（包括千斤顶备用或采用增加气缸来提高推力）。采用以上措施后，一段时间维持了生产。但由于采用了内平衡式阀芯而使用的双填料结构，和该阀芯长、两头粗而中间细的特点以及材质的高温蠕变等因素，导致了阀芯运动阻力过大，最终还会造成该阀动作滞后或卡涩故障。因此，要从根本上解决这一隐患，必须从结构上对该阀进行改造。四.155阀的改造设想4.1改造方案我们本着“保存优点，克服缺点”的宗旨，对155阀做如下改造设想，采用先导式平衡结构和阀芯套筒式导向结构（俗称子母阀），KT1501成套的高调阀即采用该结构，其结构示意图如图三所示。首先，将阀的流向改为侧进底出，阀芯采用先导式平衡阀芯结构，导向采用阀芯套筒导向结构，封闭下阀盖，填料函改为单填料函结构。其次，在上阀盖上增加散热片，防止填料过热，抱死阀杆。当阀门关闭时，先将小阀瓣关闭，此时由于活塞效应(升降式高压止回阀密封原理)，介质压差迫使阀芯关死；开启阀门时，先开小阀瓣，此时阀芯处于平衡状态，然后将阀芯提到所控制的开度。第三，从工艺安全角度，增加该阀在气源故障下的保位功能，以防紧急停气时，该阀有效控制在所需的开度，确保高压蒸汽系统的安全。四.155阀的改造设想图三阀门结构改造示意图四.155阀的改造设想PAQ24.2性能分析4.2.1Cv值分析由调节阀的节流原理和Pcv可知，改造前后Cv值之比174.1222dDDCCVv前后D——阀芯密封截面直径（φ135mm），d——阀芯颈部直径（φ52mm）,即改造后的流通能力将比原来提高17.4%.四.155阀的改造设想4.2.2弹簧范围的确定改造设计中，弹簧所需起始压力为：2222210膜座杆导DddDPP1——最大入口压力，P2——阀后出口压力，P导——阀芯套筒导向直径，P膜——执行机构膜头直径，P杆——小阀瓣阀杆直径，P座——阀芯小阀瓣座径，取阀芯小阀瓣座径为φ40mm，阀芯套筒导向直径为φ80mm，小阀瓣阀杆直径为φ60mm，最大入口压力117kgf/cm2，阀后出口压力为38kgf/cm2，则Po≈1.32kgf/cm2因此，其弹簧范围为1.32-3.28kgf/cm2（采用原执行机构）。四.155阀的改造设想4.3特点分析根据以上改造设想，此种结构与原阀相比有如下特点：①采用侧进底出的流向，在保持线性流量特性的同时，能使流通能力增加15%-20%.②采用先导式平衡结构，填料函由两个减为一个，阀杆长度可缩短一半，与填料接触的阀杆直径可减少约60%，使用柔性石墨填料，可使摩擦阻力减少80%.③采用阀芯套筒导向结构，省去了下导向，提高了导向精度，减少了相对运动件之间的运动卡阻现象的可能性。④该阀为常闭型（簧关），介质压差即可使阀自行关闭，膜头的弹簧预紧力仅在开阀的瞬间用来克服小阀瓣上的介质作用力与摩擦阻力，开阀后，阀芯达到内平衡，此时只需克服较小的运动阻力。可见，采用原执行机构后，该阀的开关都很轻松，不会出现输出力不足的现象。⑤上阀盖上增加散热片，减少了阀杆与填料的热膨胀程度，延长了气密元件的寿命，有效地防止了气开失败。⑥采用先导式平衡结构，泄漏等级可提高到CLASSV，减少内漏，显著提高了使用效率，降低能耗。小结:通过以上分析，155阀的改造设想中既保留了老阀开关时内压平衡的优点，又通过改变流向和改造阀芯结构，从根本上解决了阀卡或调节滞后的故障，同时在保证流量特性的前提下，提高了流通能力。另外，改造中充分利用了原阀的零部件，仅需加工小阀瓣、阀芯套筒、阀杆、带散热片的上阀盖、下阀盖盲板以及柔性石墨填料，并按照所确定弹簧范围进行调试即可，投资极少，节能降耗。该改造设想标本兼治，节约投资，降本增效，切实可行。参考文献:1.[美]J．L．莱昂斯编著.阀门技术手册.北京：机械工业出版社，19912.吴国熙编著.调节阀使用与维修.北京：化学工业出版社，19993.明赐东.调节阀应用.成都：四川科学技术出版社，19894.Fisher.ControlVal