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1、氣動(dòng)套筒平衡型調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏的原因分析及常規(guī)處理概述
1.1原理
重慶建峰化肥有限公司化肥廠是一個(gè)年產(chǎn)300KT合成氨/520KT尿素的大型天然氣化肥裝置。在系統(tǒng)自動(dòng)控制中，有許多調(diào)節(jié)閥在發(fā)揮著重要的作用。在這些調(diào)節(jié)閥中，套筒式調(diào)節(jié)閥占有比例達(dá)60%以上。套筒式調(diào)節(jié)閥的工作原理見圖一：介質(zhì)進(jìn)入閥腔內(nèi)，在關(guān)閉的時(shí)候，有部分流體通過閥芯上部的平衡孔產(chǎn)生壓力和閥芯下部的介質(zhì)產(chǎn)生的壓力平衡，也就是使閥芯所受的不平衡力相互抵消，所以對閥芯上開有平衡孔的套筒式閥又稱為壓力平衡式閥。它具有流量大、許用壓差高、防堵塞等優(yōu)點(diǎn)，但在大口徑（DN150mm以上）時(shí)普遍存在泄漏量大的缺點(diǎn)。泄漏量大在一定程度上造成系統(tǒng)消耗高、調(diào)節(jié)品質(zhì)差，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降、環(huán)境污染等問題。
1.2階段故障統(tǒng)計(jì)
表一是我廠僅從2002年8月到2003年1月對套筒閥內(nèi)漏的統(tǒng)計(jì)。其中9月我們還對系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)備大修。
表一 2002年8月-2003年1月套筒閥內(nèi)漏統(tǒng)計(jì)
通過長期的統(tǒng)計(jì)調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)套筒式調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏對系統(tǒng)的影響相當(dāng)大，特別是在原材料價(jià)格上漲，市場競爭激烈，產(chǎn)品價(jià)格下滑的今天。因此，節(jié)能降耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行的效能，維持系統(tǒng)穩(wěn)定是我們控制成本的一個(gè)有效的手段之一。
2、原因分析及常規(guī)處理
2.1檢修后閥沒有完全關(guān)閉
這種情況比較常見，我們統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，這種故障所占比例高達(dá)21%。比如我廠的工藝空氣流量調(diào)節(jié)閥100FV105，在2002年11月6日大修后開車時(shí)工藝反映內(nèi)漏較大，如果不進(jìn)行處理，可能會(huì)造成二段爐R1催化劑氧化，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致二段爐內(nèi)形成爆炸性混合氣體而引發(fā)重大事故。后經(jīng)過調(diào)整閥桿后內(nèi)漏基本消除。這是因?yàn)槿P(guān)后閥芯沒有接觸到閥座，也就是閥沒有關(guān)到位，或者說行程不夠。有的調(diào)節(jié)閥，在檢修后連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿和閥桿時(shí)，沒有按要求連接，造成表面上推桿走完全行程，實(shí)際閥芯沒有關(guān)到位的故障。這種情況的處理只需要重新按要求連接推桿和閥桿就可以了。正確的連接應(yīng)當(dāng)是推桿走完全行程，閥芯必須全開全關(guān)到位。對于哈佛塊夾持式連接的，不論調(diào)節(jié)閥是氣關(guān)還是氣開，通常的做法都是將閥芯壓到全關(guān)的位置，然后對執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室加信號后連接（氣關(guān)的加到彈簧范圍上限，氣開的加到下限。比如一個(gè)20-100kpa的彈簧范圍的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣關(guān)的加信號到100kpa,氣開的加信號到20kpa）。對于螺紋旋入式連接的，可以在閥桿上作標(biāo)記，或采用其它方式�？傊笤趶椈煞秶纳舷藁蛳孪迺r(shí)連接后閥芯剛好能全關(guān)到位。
閥沒有關(guān)到位會(huì)產(chǎn)生內(nèi)漏，而閥沒有緊密關(guān)閉也可能會(huì)引起內(nèi)漏，沒有緊密關(guān)閉是指閥芯和閥座剛好接觸但沒有壓緊力，原因大多是因?yàn)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)有效輸出力不夠。對于氣關(guān)式的調(diào)節(jié)閥，如果氣源沒有達(dá)到額定值，有的氣源值甚至達(dá)不到彈簧范圍上限，例如我們在某廠檢修到的一臺高壓蒸汽壓力控制閥100PV172，其彈簧范圍是70～190Kpa，而調(diào)節(jié)閥的氣源卻只有180Kpa，這樣即使給全關(guān)的信號，氣源還不能完全壓縮彈簧，執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿不能走完全行程，也就不可能使閥全關(guān)。在我們沒有檢修之前，工藝反映該閥內(nèi)漏嚴(yán)重，高壓蒸汽產(chǎn)量不夠，壓力較低。檢修后這種現(xiàn)象基本上消失了。
我們知道，在無負(fù)荷條件下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力計(jì)算公式為F=Po•Ae（Po為加載的信號氣壓，Ae為膜片有效面積）。在膜片面積一定的條件下，加載的信號氣壓越大，輸出力就越大。而正常運(yùn)行中，我們需要閥全關(guān)時(shí)，有效的輸出力，如果以上式來計(jì)算是不行的，因?yàn)樯鲜胶雎粤藞?zhí)行機(jī)構(gòu)里彈簧的反作用力。那么，閥全關(guān)時(shí)，有效的輸出力就應(yīng)該是：氣開閥F0=Pr0•Ae（Pr0為彈簧范圍低值）；氣關(guān)閥F1=（P0-Pr1）•Ae（Pr1為彈簧范圍高值）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的有效輸出力就需要在克服介質(zhì)的不平衡力、填料的摩擦力后，產(chǎn)生一個(gè)余力壓緊閥芯。所以調(diào)節(jié)閥的氣源必須達(dá)到額定值，調(diào)節(jié)閥的有效輸出力才足夠大，才能夠把閥芯壓死在閥座上而不會(huì)內(nèi)漏，所以必要時(shí)可以適當(dāng)提高氣源值。而對于氣開閥，就要考慮預(yù)緊力的問題，所謂預(yù)緊力，其實(shí)也是有效輸出力，從F0=Pr0••Ae可以看出，預(yù)緊力實(shí)際上是彈簧產(chǎn)生的輸出力，這個(gè)力過小，就不能克服介質(zhì)的不平衡力，介質(zhì)就會(huì)頂開閥芯造成泄漏。因此氣開閥內(nèi)漏，可以檢查彈簧的預(yù)緊力，預(yù)緊力過小的，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加預(yù)緊力以消除泄漏，增加預(yù)緊力，就是提高彈簧范圍的低值，也可以理解為提高彈簧的預(yù)壓縮量。
另外閥內(nèi)件卡澀而使調(diào)節(jié)閥不能動(dòng)作也容易引起內(nèi)漏。我廠鍋爐給水閥100FV206，在2002年大修后開車不久，發(fā)現(xiàn)該閥泄漏較大，現(xiàn)場檢查閥芯被卡住，現(xiàn)場15%開度，總控全關(guān)，聯(lián)系總控打開至30%后該閥才有反應(yīng)，后反復(fù)動(dòng)作，恢復(fù)正常。對于閥內(nèi)件卡澀的，如果是因?yàn)橛挟愇�，在工藝運(yùn)行允許的條件下，可以反復(fù)動(dòng)作或開大閥位使異物沖走，不能沖走的或因?yàn)殚y內(nèi)件配合間隙過小，則需要解體處理閥內(nèi)件了。
其它附件限位，比如手輪沒有回到自動(dòng)的位置，或其它的機(jī)械限位裝置限位；還有閥門定位器沒有調(diào)整好；升壓器增益調(diào)整不當(dāng)，使輸入信號在全關(guān)的時(shí)候，定位器或升壓器輸出沒有達(dá)到額定值，都可能導(dǎo)致閥不能完全關(guān)閉，引起內(nèi)漏。對于手輪或其它機(jī)械限位的，需要取消限位，使調(diào)節(jié)閥能全行程自動(dòng)調(diào)節(jié)；而定位器和升壓器的調(diào)整，必須按要求調(diào)整到達(dá)標(biāo)。比如定位器的調(diào)整，對于正作用定位器配氣關(guān)閥，當(dāng)定位器的輸入信號為最小值時(shí)（通常的氣信號為20kPa，電信號為4mA），定位器的輸出應(yīng)當(dāng)為零；在輸入信號為最大值時(shí)（一般的氣信號為100kPa，電信號為20mA），定位器的輸出就應(yīng)當(dāng)達(dá)到氣源值。對于氣關(guān)閥，要使閥完全關(guān)閉，必須是定位器的輸出達(dá)到最大（也就是達(dá)到定位器的氣源值）。
2.2調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件損傷或損壞。
2.2調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件損傷或損壞。
閥內(nèi)件損傷或損壞也是調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏的主要原因之一，有80%以上的內(nèi)漏基本上都是這個(gè)原因。對于套筒閥而言，它的密封點(diǎn)有兩個(gè)，一個(gè)是閥芯與閥座的密封面，另一個(gè)是導(dǎo)向密封環(huán)。不論哪一個(gè)密封點(diǎn)有損壞，都會(huì)造成閥的內(nèi)漏。從我廠多年的檢修結(jié)果來，內(nèi)漏一般是閥芯或閥座密封面損傷。這種故障是最常見的，引起故障的因素很多，一是由于工藝管道、容器檢修、焊接等原因使一些雜質(zhì)、焊渣進(jìn)入到調(diào)節(jié)閥中，在調(diào)節(jié)閥關(guān)閉的時(shí)候，雜質(zhì)卡在閥芯和閥座之間，造成閥芯或閥座密封面損傷，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的內(nèi)漏。例如我廠高溫變換爐后端放空閥100PV117，其工藝介質(zhì)參數(shù)如表二：
表二 100PV117工藝介質(zhì)參數(shù)
有一道直徑1mm的壓痕損傷，
根據(jù)△P=KR（T+460）（W/60）2/2gρA2（A為壓痕面積，mm2）可得：
已知T=230ºC，△P=2.91Mpa，ρ＝0.75Kg/M3，則W=153M3/h
即1mm直徑的密封面壓痕損傷每小時(shí)漏量可以達(dá)到150M3。通過基本化學(xué)反應(yīng)公式：3H2+N2+CO2=CO(CH2)2+H2O得知：每小時(shí)泄漏的工藝氣，以組分含量最少的H2為基準(zhǔn)，可以初步計(jì)算出泄漏的工藝氣折合為的尿素是1.3t/d，損耗相當(dāng)大。那么，防止這種情況發(fā)生的辦法是先對管道進(jìn)行吹掃，當(dāng)吹掃到一定程度后再關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，這樣可以在一定程度上減少或避免雜質(zhì)對調(diào)節(jié)閥密封面的損傷。
閥芯閥座密封面損傷的另一個(gè)原因是由于介質(zhì)對閥芯、閥座的沖蝕等原因，特別是當(dāng)調(diào)節(jié)閥長期處于小開度運(yùn)行而在某一時(shí)段需要關(guān)閉時(shí)，更容易出現(xiàn)這種故障。因此，從這個(gè)角度我們建議調(diào)節(jié)閥盡量不要在小開度長期運(yùn)行，特別是高壓差的工況環(huán)境。對于密封面已經(jīng)損傷的，就需要解體處理密封面。在處理密封面時(shí)必須注意保證同心度和不圓度在允許的范圍之內(nèi)。但是，處理密封面，需要對密封面進(jìn)行光刀，在多次光刀后，會(huì)將原先堆焊在密封面上的硬質(zhì)合金層車削掉，使密封面的抗沖刷腐蝕性急劇下降，導(dǎo)致密封面在很短的時(shí)間內(nèi)就損壞了。這時(shí)候就應(yīng)當(dāng)更換閥內(nèi)件。需要說明的是，更換閥內(nèi)件建議成套更換，不推薦單件更換。原因很簡單，單件的閥內(nèi)件在公差配合上不一定能達(dá)到要求，特別是運(yùn)行了一段時(shí)間的閥內(nèi)件更不能保證
次導(dǎo)向密封環(huán)損壞也是比較常見的一種故障。一般的密封導(dǎo)向環(huán)都有兩個(gè)作用，一是導(dǎo)向，二是密封。由于密封環(huán)在導(dǎo)向作用時(shí)與閥籠摩擦，多次動(dòng)作就會(huì)導(dǎo)致密封環(huán)的損傷，也就起不了密封的作用。因?yàn)樘淄查y結(jié)構(gòu)的需要。密封環(huán)的問題尚難以徹底解決，目前做得比較好的密封環(huán)是Fisher的一種有專利技術(shù)的導(dǎo)向環(huán)，如圖二所示：其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)比常規(guī)的密封環(huán)壽命長幾倍。例如我廠的中壓蒸汽壓力控制閥100PV180，雖然對系統(tǒng)負(fù)荷沒有太大的影響，但每小時(shí)泄漏一噸中壓蒸汽，會(huì)造成系統(tǒng)能耗增加，產(chǎn)品成本上升。所以原裝的閥幾乎每年都更換密封環(huán)，但是也沒有解決問題，現(xiàn)在更換的Fisher的專利產(chǎn)品，已經(jīng)運(yùn)行了三年，泄漏量仍然非常小，從根本上解了內(nèi)漏的問題。不過這種密封環(huán)的缺點(diǎn)是普通的機(jī)加加工比較困難，所以通常的做法是更換新的密封環(huán)。
2.3結(jié)構(gòu)不合理
前面講了，套筒閥一般是兩個(gè)封點(diǎn)，而有的廠家在研制的過程中，嘗試在套筒上增加一個(gè)閥座，如圖三所示：當(dāng)閥全關(guān)時(shí)，閥芯閥座為一個(gè)密封，套筒上的一個(gè)閥座為一個(gè)密封，在一定條件下，這種做法相對于密封環(huán)來說可以提高密封效果。但是如果加工精度不夠或材質(zhì)選用不當(dāng)時(shí)，泄漏量反而會(huì)增大。因?yàn)榇祟愰y要么在閥芯下密封點(diǎn)和閥座接觸的時(shí)候，閥芯上密封點(diǎn)可能沒有接觸到閥籠閥座，那么它的密封效果是不能達(dá)到要求的，或閥芯上密封點(diǎn)接觸到閥籠閥座時(shí)，閥芯下密封點(diǎn)和閥座可能沒有接觸到，那么它的密封效果也是不能達(dá)到要求的。所以對于泄漏等級要求比較高的場合，還是推薦使用帶密封導(dǎo)向環(huán)的套筒閥。例如我廠脫碳系統(tǒng)CO2吸收塔100T1液位控制閥100LV114A，原使用的雙座式調(diào)節(jié)閥，因?yàn)閮?nèi)漏較大，使脫碳水力透平100PE6A作功減少，系統(tǒng)能耗增加，而且100T1的液位不好控制，改為帶密封環(huán)的套筒閥后，此現(xiàn)象基本消除。
另外一種是才推出不久的叫做先導(dǎo)式套筒調(diào)節(jié)閥，其原理這里不再敷訴。由于它在原有的兩個(gè)密封點(diǎn)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)密封點(diǎn)，而實(shí)質(zhì)并沒有較大的改變，僅僅是提高了閥在開關(guān)過程中的平穩(wěn)性，同樣不適用泄漏等級要求高的地方。所以在對套筒式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行計(jì)算選型的時(shí)候，除非在泄漏等級方面沒有太高的要求，否則，我們?nèi)匀煌扑]選用帶導(dǎo)向密封環(huán)的套筒閥。
結(jié)束語
在多年的檢修處理過程中，我們基本掌握了套筒式調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏的原因，經(jīng)過長期的實(shí)踐，摸索總結(jié)出一些常規(guī)的處理方法，為大化肥的穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)能降耗作出了努力。
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杭州海沃氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品系列
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