提高供热管网关断阀可靠性措施研究

单晶晶，康在龙

(1.青岛恒源热电有限公司，山东 青岛 266000；2.青岛能源集团有限公司，山东 青岛 266071)

0 引言

在蒸汽管道中增加关断阀保护装置，目的就是能在运行过程中根据需要及时关闭系统，从而满足系统平稳或利于检维修等基本生产运行需求。因此，在现代供热管道设计与安装环节，热力管道主线、支线的起点、中间衔接点、终点都加装保护关断阀门，主线加装间距一般在1 500～2 500 m，支线加装间距一般在800 ～1 200 m。通常情况下，蒸汽或热水管道保护关断阀采用双向富弹性的密封阀，以充分保障管网的正常运行。

随着现代供热技术的进一步成熟，城镇集中供热的体量、规模和要求越来越高，管道内直径逐渐由DN 1100 扩张为DN 1500，伴有高温、高压、高流速，因此对安全运行系数提出了更高的需求，此时，加装具有高性能自动保护装置的关断阀的价值也就愈发重要。然而，近年来，诸多供热管网的运行故障及实践案例分析证明，普通阀门的关断性能通常只能维系3 个供热季，随着运行时间的延长，阀门的关断性能大幅度减弱。根据中国城镇供热协会公布的数据，分析2002—2018 年青岛、济南、哈尔滨、牡丹江、太原、兰州、石家庄等北方多地发生的供热故障或案例，60 %以上与阀门的关断缺失、失灵有关。因此，提高管道关断阀门的保护性能，对供热管网安全运行至关重要。

1 热力管网运行与关断阀装置的相互影响

1.1 加装管道关断阀装置

为进一步保障热力蒸汽管线生产安全运行，应按照规范、标准及实际需要，对管线加装关断阀门，尤其是在主线、干支线、衔接线的起点、调度点、终点加装自动关断保护阀。通常而言，该区域供热范围、用户数相对较小，即便整体暂时性停暖，影响也较为有限，可为快速抢修和恢复运行争取有利条件。但是，即便如此，也要在关键节点加装自控保护关断阀，以免出现高频次的突发性事故。多年的运行实践数据表明，因关断阀的缺失、失灵、故障往往将小范围的停暖扩散波及到大面积、高用户数、广影响力度的停暖，甚至全线或区域的停暖，影响企业的生产运营效率。

1.2 热力管线内水介质因素对关断阀性能的影响

根据GB/T 29044—2013，常见的区域集中供热管网系统中水质基本要求如表1 所示。

表1 常见的区域集中供热管网系统中水质基本要求

通过表1 可以看出，热力管线中的水质参数要求较为严格，特别是管线补充水的浑浊度从原来的4.5 NTu 降至2.5 NTu，管线循环水的浑浊度降至9.5 NTu。但是，实际在运行过程中，具体实施情况较为复杂，根据管线设计新标准要求，施工作业完成后，管线注水之前，首先需要对管线进行系统清洗，且清洗水速要求在2.0 m/s，以彻底将管线内的杂质冲刷干净。对于这一点，在国内供热企业中，绝大多数企业达不到这项要求。通常冲洗仅存在于安装过程中，这样下来，导致管线内循环水的浑浊度会激增。同时，按照金属质电位防腐防蚀相关概念原理，热力管网在运行、停运保养阶段，管线补充水的水质要求必须进行除氧，且添加化学试剂以保证水质的pH 值符合要求才能更大程度上保证管道系统不被大概率腐蚀，否则，热力管线的生命周期会远低于规范的20～25 年。

另外，随着管网“服役”时间的增加，管线内的腐蚀因子越来越多，额外的泥沙、钙化水杂质导致管线内循环水的浑浊度远远超过规范的基本要求，从而对关断阀的密封构造造成威胁，严重影响了阀门的关断保护功能。

2 提高关断阀保护性能的技术策略

提高关断阀的基础保护性能是提高管线“服役”生命周期的基本前提，也是保障热力管网安全运行的重要技术筹码。中国城镇供热协会发布的相关数据显示，北方发达城市的供热管线能严格控制管线运行期间、停运期间的基本水质，尽管难度较大，但基础投入产出比较为可观，既增加了关断阀的保护性能，也延长了管线的基本生命周期，使管线的“服役”期达到20 年甚至25 年。而瑞典、挪威、丹麦等北欧国家的同等基础供热管线，在保障循环水水质参数的前提下，管线的生命周期达到60～80 年。因此，对于现代发展转型期的供热企业而言，技术革新任重道远，既要保障水质符合基本要求，又要提高关断阀的保护性能，加装补偿密封附件，提高耐磨力，从而提高关断阀的生命周期。要做到这些尽管工期长、任务重，但从长远来看，投入产出比绝对可观。

2.1 提高管线水质的基本技术路径

(1) 热力管线系统中的补水水质必须达到标准、规范的基本要求。这一点要求几乎所有的供热企业都能实现，因为，从设计、安装到调控运行阶段，管线系统都配套了一个健全的补水制备装置系统，企业相关作业人员只要参照规程进行作业，基本都可以达到标准要求。

(2) 需要将新建的管线冲洗干净。该项任务难度比较大，特别是一些大型管线，因为水源及成本的原因，企业往往都没有按照规范的要求进行系统冲洗，尽管多数系统都加装了除污设备，但鉴于技术水平的限制，2.0 mm 粒径及以下的杂质、淤泥、水沙、污垢、沉淀物基本无法清除，且随着管线“服役”年限的增加，除污装置性能下降，淤积的杂质含量逐年在递增，此时，即使用1.5～2.0 m/s 流速的清洗水对管线进行冲洗，也会影响关断阀的保护性能。

(3) 需要往管线循环水中加装化学试剂。当前，在供热市场中，较为有效的化学试剂为BF-30 A，该项试剂是根据金属质防腐防蚀基本原理而研发的，在北京、天津、济南、青岛等供热领域得到较好的推广和运用，并取得了积极的效果。加装试剂可调控循环水的pH 值、酸碱度，调控循环水的阳极极化值，且对循环水加装试剂需要持续进行，以维持基本性能。因此，无论是在运行阶段还是在停运阶段，都需要持续地添加试剂，以达到调控循环水水质的基本目的。

(4) 需要采用阴极极化保护技术。阴极极化保护技术是当前地埋管线的基本防腐防蚀技术措施，是电化学保护技术手段的一种。该项技术的基本原理就是向被腐蚀的金属表面增加一个外项基础电流，将被保护结构调整为阴极极化，从而使金属腐蚀发生的电子转移度下降，避免腐蚀的进一步发生和蔓延，从而延长管线的生命周期。该项技术具有投资大、见效快、操作简单等特点。

2.2 阀门结构改造要求

在现代城镇集中供热技术水平下，管线内循环水水质是关断阀运行的基本前提。因此，阀门设计及制造厂商，需要根据阀门的基础构造、材质等影响因子去设计高耐磨度的密封层面，从而保障阀门的密封层面能经受住水的长期冲刷与腐蚀，以保障关断阀门的基础功能。据此，选用两种常用的阀门进行简要分析，以为供热企业提供参考。

2.2.1 双向高弹性金属层密封蝶关断阀

此双向高弹性金属层密封蝶关断阀是在充分借鉴、消化和吸收国内外先进创新技术的基础上，结合当前国内热力管线安全生产运行的基本要求进行技术革新研制生产的。该关断阀门采用先进的三偏离心金属层密封构造，具备高可靠性的密封自动保护补偿装置功能，具有开角大、磨损小、扭矩短等优点；同时，可保障自动保护补偿装置密封力及密封面不易磨损，以保障双向密封零泄漏。另外，蝶板密封层面通常采用软硬层蝶式304 不锈钢片和柔性石墨板的密封层面，使其具备高硬度和高密封性能等双重优点，无论在低温或高温环境下，都具有良好的基础密封性能。因此，此类关断阀适用于大口径的一次网的主线或次主线。

2.2.2 关断阀式密闭球阀

该类关断阀通常采用砌式斜面组合球阀，以保障密封面层之间形成球面与椎体面的契合，并留有间隙进行旋转，减少磨损，延长产品的生命周期，提高阀门的关断性能，保障热力管线的安全运行。在通常情况下，该类关断阀门具有闭合力轻、通径广、密封好等优点，因此，该类产品在支线、换热站及二次网中逐渐替代了普通型号的止阀、闸阀等设备产品。

2.3 改善管线系统内水质

该项技术措施为热力管线安全生产运行的辅项前提。及时将热力管线运行阶段产生的杂质、沉淀物、气体等清除，是保障管线平稳、安全运行的基本前提。接下来，将结合企业具体实际，对常见的排污、排污气技术措施进行分析。

2.3.1 排污

在生产运行过程中，可通过及时清除热力管线中的沉淀淤积物，以保证管线和生产设备的正常运行，实现平稳、安全供热。但是，要将热力管线系统中的沉淀淤积物集中清除，需要有良好性能的除污设备及技术。诸多生产实践证明，普通的管线除污设备往往在后期达不到清理淤积物的要求，甚至出现管线网被沉淀淤积物堵塞的现象。因此，加装容器内滤网的设置方式较为重要，例如采用旋转网、斜面网等方式，大概率降低滤网的堵塞现象。通过立体式多元件除污器、旋转式除污器装置或者在关断球阀结构中加装过滤网装置，提高管网自动保护性能。在生产实践中，此类阀往往是一阀多用，可显著替代Y 型除污设备在系统中的运用，确保板式换热装置不被堵塞，进而提高供热效率。

2.3.2 排气

在供热管线系统中，通常由于补充水、渗漏、昼夜温差等原因导致外部气体进入管线系统，致使系统局部产生积气，形成气圈、气塞，影响供热效果。另外，因为管线中气体的存在，导致管线内循环水的溶解氧超过了0.15 mg/L 的行业标准要求，致使热网系统中产生了阳极和阴极化腐蚀，给供热管线安全运行带来了隐患。所以，完成管线中的排气任务，对解决供热管线不热或降低腐蚀度极为重要。但是，排除管线系统中的气体需要有较高性能的装置和设备。

(1) 采用自动排气阀装置，这项技术是当前国内外供热行业广泛运用的，其基本原理就是加装浮球装置，该项技术具有节能、自动、高效等优点，但是，鉴于国内供热系统中管线内循环水水质差、浑浊度高、含杂质多等现状，自动排气阀极易被堵塞，因此，可操作性不强。

(2) 加装手动排气设备，通常情况下，该设备由集气罐和排气阀组成。集气罐通常有卧式和立式两类，一般以立式居多，直径在180～220 mm，高度在250 ～350 mm；手动排气管一般为DN15 ～DN20，需要进行定期手动排气，优点是性能可靠、易于操作，缺点就是需要人工操作。因为当前国内的管线循环水水质差，手动排气装置成为首选方案。

(3) 当前欧洲供热行业普遍采用的是自动真空排气机，具有自动排气、节能可靠等优点，缺点就是成本较高，适合有条件的用户。

3 结束语

阀门的持久关断功能对解决当前国内供热管线中的安全运行存在的问题具有较高的实用价值，当然，改善蒸汽管网中循环水的水质问题，不是短期内就能一蹴而就的。因此，在当前的供热水平和现实条件下，采用和加装供热管网中普遍使用的高耐磨的双向高弹性金属密封蝶阀具有较高的实践意义，特别是在大口径的主干线、次干线中运用关断阀，对提高管线供热能效和平稳、安全运行，有着较高的实用价值和意义。