仪表调节阀零泄漏方案分析与研究

2022-11-06靳向东

山西化工 2022年7期

靳向东

（天脊煤化工集团股份有限公司，山西长治 047500）

引言

某硝酸磷肥装置15、20、40 kg 蒸汽放空仪表调节阀原使用CV3000 系列HPC 型高压笼式调节阀。HPC 型调节阀采用了压力平衡式结构，可调范围广，压降损失小。但是阀内件加工精度、装配精度要求高，阀门泄漏量超标，且在生产运行中会逐渐增大，造成大量的蒸汽放空，带来极大的能源浪费，且给装置安全、平稳、高效运行带来影响[1-3]。

因此，本文对蒸汽放空仪表调节阀实现零泄漏进行了分析与研究。从查找泄漏的原因，对结构改进、调节阀选型、调节阀计算等进行研究，以达到“三不见工厂”（看不见、听不见、闻不见）的要求。

1 现状调查及原因分析

硝酸磷肥装置15、20、40 kg 3 台蒸汽放空仪表调节阀，2000 年投用，使用3 个月左右蒸汽泄漏量超标，维修人员通过调整执行机构预紧力、重新调整定位器等方式，使泄漏量略有改善，但泄漏量仍在CLASS Ⅳ级上下，不能满足工艺生产要求。

后期，利用装置大修的机会对3 台阀门离线检修，通过车修、研磨密封面，虽然泄漏等级暂时达到CLASS Ⅳ级，但投运3 个月后，工艺反馈普遍泄漏量增大，且有明显的蒸汽排放感观。所以通过检修不能从根本上给予解决泄漏量大问题，对于3 台蒸汽放空阀泄漏量超标始终没有针对性的解决方案。

2020 年，企业提出“三不见工厂”建设和精益思想指导下的“精致生产”，又重新把硝酸磷肥装置的3 台蒸汽放空仪表调节阀如何实现零泄漏的问题提上工作议程。

通过对CV3000 系列HPC 型高压笼式调节阀的结构和工作原理的研究发现，该型号调节阀阀内件加工精度、装配精度要求较高，密封面表面的划痕、擦伤以及装配时执行机构的不同心，都会造成调节阀的泄漏量超标，对阀门的维修要求高。该结构的阀门后期维修、维护成本较高，检维修的技术难度较大，不利于装置长周期安全稳定经济运行，不能适用于硝酸磷肥装置15、20、40 kg 蒸汽放空的工况。HPC 系列高压笼式调节阀结构图详见图1。

图1 HPC 系列高压笼式调节阀结构图

2 调节阀选型

2.1 调节阀的结构选择

针对硝酸磷肥装置15、20、40 kg 蒸汽放空工况，需要一种能够实现严密泄漏等级（CLASS Ⅵ级或零泄漏）、性能可靠、维修方便的仪表调节阀。通过市场技术考察和技术交流，最终借鉴了某仪表调节阀专业生产厂家在其他化工企业蒸汽放空工况仪表调节阀的经验，选择先导式套筒调节阀。

先导式套筒调节阀的结构结合了单座调节阀严密切断的特点，同时兼顾了套筒调节阀压力平衡的优点。采用单座阀阀芯结合套筒阀阀塞的复合结构，流体高进低出，即确保阀门在关闭状态下的严密切断功能，同时又能实现在阀门打开时，阀塞处于压力平衡状态，阀门不平衡力小，动态稳定性好，调节精度高，尤其适用于高温、高压工况严密切断的场合，泄漏等级可达到零泄漏。先导式套筒调节阀结构图及实物图详见下页图2、图3。

图2 先导式阀芯结构图

图3 先导式阀芯实物图

先导式套筒调节阀与活塞式直行程执行机构的组合，凭借着活塞式执行机构的大推力，确保为密封面提供持续的密封比压。活塞式执行机构采用冷拔液压缸管作为气缸体，经研磨、挤压工艺，大大降低了动密封元件的磨损，提供了执行机构的耐用度。

其基本误差、回差、死区、始终点偏差、额定行程偏差等主要技术指标均优于GB/T 4213、GB/T 17213、IEC60534 标准中所规定的允许值，且阀门在调节过程中的动作响应及流量响应均能符合设计参数要求。

与同规格薄膜式执行机构相比，推力更大，具有结构简单、质量轻、体积小的特点，是一种高性能气动直行程执行机构。根据工艺设计要求，选用单作用活塞式直行程执行机构。

单作用、双作用活塞式直行程执行机构结构图见图4、图5。

图4 单作用活塞式直行程执行机构结构图

图5 双作用活塞式直行程执行机构结构图

2.2 阀体、上盖的材料选择

15、20、40 kg 3 台蒸汽放空调节阀蒸汽温度分别为350、350、420 ℃，选择普通的碳钢材质，温压及力学性能均已达到材料使用范围的上限。为了确保高温蒸汽工况调节阀安全可靠，阀体、上盖材质均选择WC9。WC9 的温压、力学性能优于碳钢，是高温蒸汽介质的首选材料，广泛应用于高温蒸汽的场合。

2.3 阀内件材料

为了确保阀内件（阀芯、阀座、阀杆）能够在高温状态下保持优良的力学性能，3 台蒸汽放空调节阀的阀内件选择410SS 马氏体不锈钢。410SS 不锈钢经热处理后，材料的力学性能、表面硬度均优于316SS 不锈钢。

410SS 不锈钢在高温蒸汽工况仍具有较高的硬度，热膨胀率低，阀内件不易擦伤、卡涩，尤其适用于高温蒸汽的场合。316 奥氏体不锈钢及410 马氏体不锈钢材料的对比说明以及力学性能指标详见表1、表2。

表1 316 奥氏体不锈钢及410 马氏体不锈钢材料的对比说明

表2 316 奥氏体不锈钢及410 马氏体不锈钢材料力学性能对比表

2.4 填料材质的选择

高温蒸汽介质的选用双层石墨填料，采用机械预制成型，在填料组件上下配置保持环。石墨材料的氯含量应不超过100 μg/g。能够满足API 6FA 耐火试验标准测试认证的要求。该填料结构可以不用拆卸上阀盖或执行机构部件即可以紧固填料的结构。填料结构应满足低逸散ISO 15848-1 标准阀杆密封等级Class B 等级的要求。

3 调节阀的计算

3.1 Cv 值计算

3台蒸汽放空调节阀除高泄漏等级外，还要求同时具备优良的调节性能。调节阀的流通能力使用Cv值表示，Cv值的计算按照ANSI/ISA-75.01.01 或IEC 60534-2-1 标准执行。流量特性选择等百分比流量特性，额定Cv值选取正常流量Cv值的2 倍或最大流量Cv值的1.3 倍的两者较大值。直行程调节阀相对行程在最大流量工况下控制在85%开度以内。

用于蒸汽的空气动力噪声计算执行IEC 60534-8-3 或ISA-75.17 标准，计算出的调节阀最大噪声应使其下游1 m 处和管道表面1 m 处的最大稳态噪声限值不得超过85 dB(A)；当计算结果超过最大允许噪声限值时，采取降噪措施。降噪措施采用低噪声阀内件结构。Kv值计算公式与判别式详见表3。