靳向東

（天脊煤化工集團(tuán)股份有限公司，山西 長(zhǎng)治 047500）

引言

某硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 蒸汽放空儀表調(diào)節(jié)閥原使用CV3000 系列HPC 型高壓籠式調(diào)節(jié)閥。HPC 型調(diào)節(jié)閥采用了壓力平衡式結(jié)構(gòu)，可調(diào)范圍廣，壓降損失小。但是閥內(nèi)件加工精度、裝配精度要求高，閥門泄漏量超標(biāo)，且在生產(chǎn)運(yùn)行中會(huì)逐漸增大，造成大量的蒸汽放空，帶來極大的能源浪費(fèi)，且給裝置安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行帶來影響[1-3]。

因此，本文對(duì)蒸汽放空儀表調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)零泄漏進(jìn)行了分析與研究。從查找泄漏的原因，對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、調(diào)節(jié)閥選型、調(diào)節(jié)閥計(jì)算等進(jìn)行研究，以達(dá)到“三不見工廠”（看不見、聽不見、聞不見）的要求。

1 現(xiàn)狀調(diào)查及原因分析

硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 3 臺(tái)蒸汽放空儀表調(diào)節(jié)閥，2000 年投用，使用3 個(gè)月左右蒸汽泄漏量超標(biāo)，維修人員通過調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)緊力、重新調(diào)整定位器等方式，使泄漏量略有改善，但泄漏量仍在CLASS Ⅳ級(jí)上下，不能滿足工藝生產(chǎn)要求。

后期，利用裝置大修的機(jī)會(huì)對(duì)3 臺(tái)閥門離線檢修，通過車修、研磨密封面，雖然泄漏等級(jí)暫時(shí)達(dá)到CLASS Ⅳ級(jí)，但投運(yùn)3 個(gè)月后，工藝反饋普遍泄漏量增大，且有明顯的蒸汽排放感觀。所以通過檢修不能從根本上給予解決泄漏量大問題，對(duì)于3 臺(tái)蒸汽放空閥泄漏量超標(biāo)始終沒有針對(duì)性的解決方案。

2020 年，企業(yè)提出“三不見工廠”建設(shè)和精益思想指導(dǎo)下的“精致生產(chǎn)”，又重新把硝酸磷肥裝置的3 臺(tái)蒸汽放空儀表調(diào)節(jié)閥如何實(shí)現(xiàn)零泄漏的問題提上工作議程。

通過對(duì)CV3000 系列HPC 型高壓籠式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理的研究發(fā)現(xiàn)，該型號(hào)調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件加工精度、裝配精度要求較高，密封面表面的劃痕、擦傷以及裝配時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同心，都會(huì)造成調(diào)節(jié)閥的泄漏量超標(biāo)，對(duì)閥門的維修要求高。該結(jié)構(gòu)的閥門后期維修、維護(hù)成本較高，檢維修的技術(shù)難度較大，不利于裝置長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，不能適用于硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 蒸汽放空的工況。HPC 系列高壓籠式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖詳見圖1。

圖1 HPC 系列高壓籠式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

2 調(diào)節(jié)閥選型

2.1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)選擇

針對(duì)硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 蒸汽放空工況，需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)密泄漏等級(jí)（CLASS Ⅵ級(jí)或零泄漏）、性能可靠、維修方便的儀表調(diào)節(jié)閥。通過市場(chǎng)技術(shù)考察和技術(shù)交流，最終借鑒了某儀表調(diào)節(jié)閥專業(yè)生產(chǎn)廠家在其他化工企業(yè)蒸汽放空工況儀表調(diào)節(jié)閥的經(jīng)驗(yàn)，選擇先導(dǎo)式套筒調(diào)節(jié)閥。

先導(dǎo)式套筒調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)結(jié)合了單座調(diào)節(jié)閥嚴(yán)密切斷的特點(diǎn)，同時(shí)兼顧了套筒調(diào)節(jié)閥壓力平衡的優(yōu)點(diǎn)。采用單座閥閥芯結(jié)合套筒閥閥塞的復(fù)合結(jié)構(gòu)，流體高進(jìn)低出，即確保閥門在關(guān)閉狀態(tài)下的嚴(yán)密切斷功能，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)在閥門打開時(shí)，閥塞處于壓力平衡狀態(tài)，閥門不平衡力小，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)精度高，尤其適用于高溫、高壓工況嚴(yán)密切斷的場(chǎng)合，泄漏等級(jí)可達(dá)到零泄漏。先導(dǎo)式套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖詳見下頁圖2、圖3。

圖2 先導(dǎo)式閥芯結(jié)構(gòu)圖

圖3 先導(dǎo)式閥芯實(shí)物圖

先導(dǎo)式套筒調(diào)節(jié)閥與活塞式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組合，憑借著活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大推力，確保為密封面提供持續(xù)的密封比壓?；钊綀?zhí)行機(jī)構(gòu)采用冷拔液壓缸管作為氣缸體，經(jīng)研磨、擠壓工藝，大大降低了動(dòng)密封元件的磨損，提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的耐用度。

其基本誤差、回差、死區(qū)、始終點(diǎn)偏差、額定行程偏差等主要技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于GB/T 4213、GB/T 17213、IEC60534 標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的允許值，且閥門在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)作響應(yīng)及流量響應(yīng)均能符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

與同規(guī)格薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，推力更大，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小的特點(diǎn)，是一種高性能氣動(dòng)直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求，選用單作用活塞式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

單作用、雙作用活塞式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖見圖4、圖5。

圖4 單作用活塞式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖5 雙作用活塞式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2 閥體、上蓋的材料選擇

15、20、40 kg 3 臺(tái)蒸汽放空調(diào)節(jié)閥蒸汽溫度分別為350、350、420 ℃，選擇普通的碳鋼材質(zhì)，溫壓及力學(xué)性能均已達(dá)到材料使用范圍的上限。為了確保高溫蒸汽工況調(diào)節(jié)閥安全可靠，閥體、上蓋材質(zhì)均選擇WC9。WC9 的溫壓、力學(xué)性能優(yōu)于碳鋼，是高溫蒸汽介質(zhì)的首選材料，廣泛應(yīng)用于高溫蒸汽的場(chǎng)合。

2.3 閥內(nèi)件材料

為了確保閥內(nèi)件（閥芯、閥座、閥桿）能夠在高溫狀態(tài)下保持優(yōu)良的力學(xué)性能，3 臺(tái)蒸汽放空調(diào)節(jié)閥的閥內(nèi)件選擇410SS 馬氏體不銹鋼。410SS 不銹鋼經(jīng)熱處理后，材料的力學(xué)性能、表面硬度均優(yōu)于316SS 不銹鋼。

410SS 不銹鋼在高溫蒸汽工況仍具有較高的硬度，熱膨脹率低，閥內(nèi)件不易擦傷、卡澀，尤其適用于高溫蒸汽的場(chǎng)合。316 奧氏體不銹鋼及410 馬氏體不銹鋼材料的對(duì)比說明以及力學(xué)性能指標(biāo)詳見表1、表2。

表1 316 奧氏體不銹鋼及410 馬氏體不銹鋼材料的對(duì)比說明

表2 316 奧氏體不銹鋼及410 馬氏體不銹鋼材料力學(xué)性能對(duì)比表

2.4 填料材質(zhì)的選擇

高溫蒸汽介質(zhì)的選用雙層石墨填料，采用機(jī)械預(yù)制成型，在填料組件上下配置保持環(huán)。石墨材料的氯含量應(yīng)不超過100 μg/g。能夠滿足API 6FA 耐火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試認(rèn)證的要求。該填料結(jié)構(gòu)可以不用拆卸上閥蓋或執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件即可以緊固填料的結(jié)構(gòu)。填料結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足低逸散ISO 15848-1 標(biāo)準(zhǔn)閥桿密封等級(jí)Class B 等級(jí)的要求。

3 調(diào)節(jié)閥的計(jì)算

3.1 Cv 值計(jì)算

3臺(tái)蒸汽放空調(diào)節(jié)閥除高泄漏等級(jí)外，還要求同時(shí)具備優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能。調(diào)節(jié)閥的流通能力使用Cv值表示，Cv值的計(jì)算按照ANSI/ISA-75.01.01 或IEC 60534-2-1 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。流量特性選擇等百分比流量特性，額定Cv值選取正常流量Cv值的2 倍或最大流量Cv值的1.3 倍的兩者較大值。直行程調(diào)節(jié)閥相對(duì)行程在最大流量工況下控制在85%開度以內(nèi)。

用于蒸汽的空氣動(dòng)力噪聲計(jì)算執(zhí)行IEC 60534-8-3 或ISA-75.17 標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出的調(diào)節(jié)閥最大噪聲應(yīng)使其下游1 m 處和管道表面1 m 處的最大穩(wěn)態(tài)噪聲限值不得超過85 dB(A)；當(dāng)計(jì)算結(jié)果超過最大允許噪聲限值時(shí)，采取降噪措施。降噪措施采用低噪聲閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)。Kv值計(jì)算公式與判別式詳見表3。

表3 Kv 值計(jì)算公式與判別式

文字符號(hào)說明：X 為壓差與入口絕對(duì)壓力之比（△P/P1）；XT為壓差比系數(shù)；K 為比熱比；Qg為體積流量，m3/h；Wg為質(zhì)量流量，kg/h；ρ1為密度（P1，T1條件），kg/m3；T1為入口絕對(duì)溫度，K；M 為相對(duì)分子質(zhì)量；Z為壓縮系數(shù)；Fg為壓力恢復(fù)系數(shù)（氣體）；注：Cv=1.17 kV。

3.2 計(jì)算結(jié)果

按照上述公式計(jì)算Cv值以及開度詳見表4。

表4 Cv 值計(jì)算結(jié)果以及開度

4 結(jié)論

硝酸磷肥裝置15、20、40 kg 蒸汽放空儀表調(diào)節(jié)閥改造后，完全達(dá)到嚴(yán)密切斷要求，閥門關(guān)閉狀態(tài)下泄漏量為零，同時(shí)在調(diào)節(jié)性能及噪音控制方面達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝生產(chǎn)的要求。目前，先導(dǎo)式套筒調(diào)節(jié)閥已在多個(gè)化工企業(yè)各類氣體放空?qǐng)龊蠌V泛使用。