石油化工苛刻工况下的控制阀选用

石油化工苛刻工况下的调节阀选用摘要：苛刻工况是指生产过程的操作条件为高温、高压，且易燃易爆。石化化工装置长周期运行在这种高温、高压差以及多相流等操作条件下，极易产生大能量冲击、振动、腐蚀、磨蚀和空化气蚀以及高噪声。普通的调节阀常常无法承受苛刻工况而导致阀内件或阀体损坏。为使调节阀能够在石油化工苛刻工况下长周期安全可靠运行，必须应用优化设计的调节阀以及和选用降压减噪新技术，以及开展预防性维护和预测性维护、提高调节阀使用效果及生命周期。关键词：苛刻工况；高温高压；空化气蚀；噪声；调节阀选用1引言在石油化工自动化中，控制回路的终端元件主要是调节阀等执行装置。调节阀安装在流程管道上，直接与工艺流体接触并进行流体量控制，决定着过程控制是否及时有效和装置安全，是重要的现场设备，又是相对技术薄弱的环节。苛刻工况是指生产过程的操作条件为高温、高压，且易燃易爆。石化化工装置长周期运行在这种高温、高压差以及多相流等操作条件下，极易产生大能量冲击、振动、腐蚀、磨蚀和空化气蚀以及高噪声。普通的调节阀常常无法承受苛刻工况而导致阀内件或阀体损坏。为使调节阀能够在石油化工苛刻工况下长周期安全可靠运行，必须应用优化设计的调节阀以及和选用降压减噪新技术，以及开展预防性维护和预测性维护、提高调节阀使用效果及生命周期。石油化工生产过程的工艺条件是选择调节阀的主要考虑问题，如何应对高温、高压、易燃易爆、腐蚀、磨蚀、空化气蚀的苛刻工况，应综合调节阀的结构、性能、材料、特殊设计等方面，以适用工况为出发点、整体进行优化，再结合国际上成熟的计算软件进行计算选型、预估分析以及成功的应用经验进行调节阀的选用。2液体流体高压差应用时防空化气蚀调节阀本身是管路截流元件，通过改变流通截面积及流体阻力来进行调节流体量。在液体流体高压差工况应用时，调节阀内部流动的液体介质由于截流原因导致急剧降压，则容易引起液体闪蒸和空化现象。闪蒸和空化的发生既影响调节阀口径的选择和计算，更是能导致严重的噪声、振动及气蚀对材料的破坏等等，直接影响使用。当高压液体流体通过调节阀阀芯阀座形成的截流区时，流速会突然增加而静压力骤然下降，若截流区的压力骤然降到介质饱和蒸汽压及以下时，液体流体将产生闪蒸现象，夹有大量气泡，体积急剧膨胀，同时对阀内件有很强的侵蚀作用。若截流后的液体压力又回复到饱和蒸汽压之上时，在压力作用下挤压气泡产生空化现象，空化形成的气蚀有极大的冲击力，可高达几千牛顿，严重地冲撞和破坏阀芯阀座和阀体，有如猛烈喷沙的效果，实验证明即使高硬度合金在强烈空化气蚀下也只能承受很短时间。对于上述工况，调节阀的选用主要考虑阀前后压差（流体流速）、阀体阀内件材料和结构（角型阀、多级阀），以及采取有效的特殊设计和防空化措施。a.考虑调节阀前后压差设计选用时不能使调节阀前后压差过大，不要使阀芯阀座最小截流区的压力下降到流体的饱和蒸汽压以下，选择阀前后压差∆pmax小于2.5MPa和控制合理流速。可通过改变调节阀口径或增加管道流通面积，来减小调节阀出口流速。b.考虑调节阀材料要选用抗蚀能力强的金属材料，如在不锈钢阀芯阀座基体上再用硬质合金（钴铬钨合金或碳化钨）对密封面进行硬化处理（堆焊或高温喷涂）。部分材料选择参见表1。表1材料的选择阀部件名称材料温度℃阀体、阀盖WCBWC6、WC9CF8、CF8M、CF3M-29~425-29~595-254~600阀芯、阀座440B、A182-F11304、316堆焊司太莱合金-29~595套筒304、316、440B、630-254~600c.考虑阀门结构选用特殊设计防空化气蚀阀内件，以避免气蚀的破坏作用。使流体在通过阀芯阀座时每一点的压力都高于该温度下的饱和蒸汽压，或采用迷宫阀内件、多级套筒、多级阀芯等多级降压减噪处理措施。还可选择在阀芯阀座流出处加减噪器的方法，使液体本身相互冲撞呈高度紊流而减少气泡（闪蒸现象）的产生。图1为迷宫阀内件，采用曲折路径方法，使流动介质通过一个含有曲折路径的阀内件旨在减小压力恢复。曲折路径可以有小孔、放射状的流路的不同形式，效果基本一样。图2为多级降压阀内件，每一级都消耗一部分能量，使得下一级的入口压力相对较低，减小了下一级的压差，压力恢复低，避免气蚀的产生。3苛刻工况的噪声抑制调节阀产生的噪声一般为机械噪声、液体动力噪声和气体动力噪声。机械噪声主要来自阀门阀芯、阀杆及一些可动部件，由于受到流体压力波动的影响或流体的冲击而机械振动而产生。此种噪声是明显的金属响声和敲击声，频带较宽，振动频率一般小于1500Hz。减小机械噪声的方法主要是改进阀门结构尤其是阀芯阀座、导向的结构。液体动力噪声是流体流过截流区产生的，流通截面积的急剧变化，容易产生阻塞流、产生闪蒸和空化，减速和膨胀都会造成噪声，在空化作用产生强大破坏力时还发出高噪声。气体动力噪声是当气体流体流动速度大于声速时，流体产生冲击波，噪声剧增。噪声的预估比较复杂和困难，国际标准化组织发布的IEC60534工业过程控制阀系列标准的第八部分也给出了有关噪声预估方法，各调节阀制造厂家在其计算软件中都有噪声的预估计算。调节阀噪声的抑制和治理，目前主要采用声源处理和声路处理的方法。声源处理就是设法防止和降低调节阀截流区的声源功率，抓住压差和流速这两个影响噪声的关键参数，在阀内件和阀体结构上设计改进，在声源发生处把速度和压差降下来。a.采用增加减噪器的办法在截流处加装细小的迂回通路，如曲折路径的迷宫式减噪器，或由细目钢网卷成的减噪器，以及多孔结构的减噪板。参见图3。图1迷宫式阀内件图2多级降压阀内件图3减噪器图4消音器b.采用出口加扩管消音器的办法，减弱冲击波并消耗声能，做声路减噪处理。参见图4。c.利用摩擦原理，设计多级阀芯降压减噪，控制流体流速，有效地防止了空化作用，也明显抑制了噪声。d.改善流场参数。根据流场分布与阀门结构有关的研究结果，改进阀门流路和阀内件结构，选用S形流路、V形开口阀芯、套筒阀，等。4应对高温苛刻工况在高温的工况下，必须考虑材料热膨胀对阀内件动作的影响，所用材料不能因高温作用而变形、塑变、蠕变，造成阀内件卡住或阀杆和导向套卡住，因此设计间隙（包括阀芯与阀座间；导向套与阀杆间）要根据材料、尺寸及温差等因素考虑而适当增加。同时考虑阀体、支架、填料、连接件等的承受温度能力。基于在高温下各种材料的硬度都会有不同程度的下降，要认真查对所选材料的温－压曲线，使其满足在温度条件下的耐压，保证安全性。对泄漏量要求较高的，阀内件应采用相同的合金钢，同时密封面要做硬化处理。温度高于一定时（如220℃），要考虑选加延长的上阀盖；温度高于450℃时，要考虑选加更长的延长上阀盖，来避免传热造成气动执行机构和阀门定位器非正常工作。5结束语调节阀在石油化工苛刻工况下应用出现噪声、冲蚀、空化气蚀等问题由来已久，用户和调节阀制造厂家都在不断寻找解决办法。目前已有可靠耐用的高压差调节阀、防空化气蚀阀、防喘振阀相继推出，以及新材料的应用和现场经验的积累，已使调节阀成功应对石油化工苛刻工况条件，满足应用需求。LBH2010.8