03-091PV155高压蒸汽减压阀运行分析与改造设想(肖书舟)

主题词： 主题词：高压蒸汽减压阀
运行故障分析 结构改造
设想
安庆分公司化肥二部有两台意大利“PIGNONE”生产的蒸汽减压阀， 位号为091PV155和091PV164，分别是高压蒸汽减压阀和中压蒸汽减压 阀。它们在工艺上的作用都很重要，特别是091PV155（以下简称为155 阀）是蒸汽系统关键控制点，安装于合成气压缩机透平旁路，它的运 行状态的好坏，直接影响到化肥板块的安全生产。事实上，该阀经常 发生滞后或阀卡等故障，曾给化肥板块的安全生产带来巨大威胁。同 时，现在购买该阀整台备件，价格极其昂贵。因此，本文将从它的工 艺作用、结构特点等方面着手，分析该阀的故障原因和现状，并提出 采用先导式平衡阀芯结构和阀芯套筒式导向结构进行改造的设想。
四.155阀的改造设想 .155阀的改造设想
4.1 改造方案
我们本着“保存优点，克服缺点”的宗旨，对155阀做 如下改造设想，采用先导式平衡结调阀即采用该结构，其结 构示意图如图三所示。 首先，将阀的流向改为侧进底出，阀芯采用先导式平衡 阀芯结构，导向采用阀芯套筒导向结构，封闭下阀盖，填料 函改为单填料函结构。 其次，在上阀盖上增加散热片，防止填料过热，抱死阀 杆。当阀门关闭时，先将小阀瓣关闭，此时由于活塞效应 (升降式高压止回阀密封原理)，介质压差迫使阀芯关死；开 启阀门时，先开小阀瓣，此时阀芯处于平衡状态，然后将阀 芯提到所控制的开度。 第三，从工艺安全角度，增加该阀在气源故障下的保位 功能，以防紧急停气时，该阀有效控制在所需的开度，确保 高压蒸汽系统的安全。
.155阀的故障分析和运行现状 三.155阀的故障分析和运行现状
密封填料的摩擦力较大。 原155阀的填料是石墨石棉盘根，压紧了抱得过死，压 松了造成外漏，后改为柔性石墨填料，既增强了自润滑能力， 又提高了密封效果。但是，若柔性石墨填料的内径过小或阀 芯导向部分的表面粗糙度降低，其摩擦力将大大增加，甚至 将直接导致阀卡，强行运动将导致柔性石墨填料的损坏而造 成严重泄漏。 事实上，155阀的实际弹簧线性很不理想，单校膜头时， 其最大变差高达8%，甚至超过10%以上，整体单校时，其最 大变差高达12%以上，甚至超过20%，带定位器联校时，其最 大变差也高达8%以上（按要求：单校膜头最大变差低于5%， 带定位器联校最大变差低于3%），当压缩机跳车时，工艺要 求其开度快速达到25%，在摩擦阻力增大的情况下，确实难 以实现。我们曾采取在其下填料处备用一小型气缸，必要时 用来增加推力。
(
)
P1——最大入口压力， P2——阀后出口压力 ， P导——阀芯套筒导向直径， P膜——执行机构膜头直径 ， P杆——小阀瓣阀杆直径 ， P座——阀芯小阀瓣座径 ， 取阀芯小阀瓣座径为φ40mm，阀芯套筒导向直径为φ80mm， 小阀瓣阀杆直径为φ60mm，最大入口压力117kgf/cm2，阀后出口 压力为38 kgf/cm2， 则 Po ≈1.32 kgf/cm2 因此，其弹簧范围为1.32-3.28 kgf/cm2 （采用原执行机 构）。
(1).阀笼 这是该阀最关键的部件，它由内笼（阀座）和外 笼两部分组成。该阀能把高压蒸汽减压到中压蒸汽就是通过 阀笼来实现的。此阀笼流路长而复杂，造成较大的阻力系数， 使介质蒸汽在阀体内腔里能耗增大，从而达到减压的目的。 从调节阀的节流原理来看
Q=
A
2∆P
(ξ—调节阀的阻力系数,A—调节阀连接管的横截面积) 由于流路复杂，ξ较大，并且随着开度的变化，ξ变化 较小，而且阀上压降占系统压降的比值S较大，接近于1，管 道上的压力降所占比重很小，这就使阀由全关到全开时，阀 上的压降变化很小，基本保持恒定，从而满足了工艺压降稳 定的要求。
.155阀的故障分析和运行现状 三.155阀的故障分析和运行现状
3.1 故障分析
155阀在我厂装置的开车与运行中曾发生过多次故障， 严重威胁过全厂正常开车或运行中的设备安全。在2001年 度的大修开车、运行及停车中也不例外。其故障归结为以 下三个方面： (1).动作滞后，有阀卡现象。造成阀卡的原因如下： 执行机构输出力不足够大 该阀的弹簧范围为1.96-3.62（bar），而气源压力定 为4.2（bar），在正常情况下，其输出力是够的，但如果 该阀在运行中由于意外原因（如填料过紧、阀芯弯曲等） 造成摩擦阻力增大时，输出力就明显不够，造成卡死。又 因为该执行机构是气动薄膜混合型结构，其输出力除在两 个端点外，都不能达到最大，很容易造成滞后。
.155阀的性能参数和结构特点 二.155阀的性能参数和结构特点
2.1 性能参数
155阀的性能参数见下表：
型 号 1000BE 8” 6” 1500LB BW LINE 80(mm) 450(mm) 17-4PH 1.96-3.62（bar） 4.2 （ bar） 流通能力(Cv) 设计耐温 工作温度 蒸汽密度 正常入口压力 最大入口压力 正常压差 最大压差 正常流量 最大流量 最小流量 219 510 (℃) 490 (℃) 31.794(kg/m3) 101 (kgf/cm2) 117 (kgf/cm2) 63 (kgf/cm2) 79 (kgf/cm2) 5616 (m3/h) 6514 (m3/h) 3931 (m3/h)
公称通径 芯 径
压力等级 连接形式 流量特性 额定行程 膜头尺寸 内件材质 弹簧范围 气源压力
.155阀的性能参数和结构特点 二.155阀的性能参数和结构特点
2.2 结构特点
图 二 阀 体 部 件 结 构 图
二.155阀的性能参数和结构特点 .155阀的性能参数和结构特点
155阀的阀体部件结构见图二，其特点如下：
四.155阀的改造设想 .155阀的改造设想
4.3 特点分析
根据以上改造设想，此种结构与原阀相比有如下特点： ① 采用侧进底出的流向，在保持线性流量特性的同时，能使流通能 力增加15%-20%. ② 采用先导式平衡结构，填料函由两个减为一个，阀杆长度可缩短 一半，与填料接触的阀杆直径可减少约60%，使用柔性石墨填料，可 使摩擦阻力减少80%. ③ 采用阀芯套筒导向结构，省去了下导向，提高了导向精度，减少 了相对运动件之间的运动卡阻现象的可能性。 ④ 该阀为常闭型（簧关），介质压差即可使阀自行关闭，膜头的弹 簧预紧力仅在开阀的瞬间用来克服小阀瓣上的介质作用力与摩擦阻力， 开阀后，阀芯达到内平衡，此时只需克服较小的运动阻力。可见，采 用原执行机构后，该阀的开关都很轻松，不会出现输出力不足的现象。 ⑤ 上阀盖上增加散热片，减少了阀杆与填料的热膨胀程度，延长了 气密元件的寿命，有效地防止了气开失败。 ⑥ 采用先导式平衡结构，泄漏等级可提高到CLASS V，减少内漏，显 著提高了使用效率，降低能耗。
.155阀的故障分析和运行现状 三.155阀的故障分析和运行现状
根据上述分析，我们曾对现场155阀采取过以下改进措施： ① 提高仪表气源压力到0.5MPa（G），以增大执行机构输出力； ② 减小上下填料装填压紧力，增大柔性石墨填料的内径至 φ130mm，以减小填料的摩擦力； ③ 提高阀体部件相对运动件的表面粗糙度，减少意外阻力； ④ 降低弹簧预紧力，并尽量减少其它意外因素，尽量增大阀芯 的推力（包括千斤顶备用或采用增加气缸来提高推力）。 采用以上措施后，一段时间维持了生产。但由于采用了内 平衡式阀芯而使用的双填料结构，和该阀芯长、两头粗而中间 细的特点以及材质的高温蠕变等因素，导致了阀芯运动阻力过 大，最终还会造成该阀动作滞后或卡涩故障。因此，要从根本 上解决这一隐患，必须从结构上对该阀进行改造。
D——阀芯密封截面直径（φ135mm）， d——阀芯颈部直径（φ52mm）, 即 改造后的流通能力将比原来提高17.4%.
.155阀的改造设想 四.155阀的改造设想
4.2.2 弹簧范围的确定 改造设计中，弹簧所需起始压力为：
2 2 2 Ρ1 ⋅ D导 − d 杆 − Ρ2 ⋅ d 座 P0 = 2 D膜
肖书舟 (中国石化股份公司安庆分公司物供中心 安庆 246001) 中国石化股份公司安庆分公司物供中心,安庆 中国石化股份公司安庆分公司物供中心
摘要： 摘要：通过分析091PV155高压蒸汽减压阀的结构特点，阐述该阀的运
行现状与故障原因，并提出采用先导式平衡阀芯结构和阀芯套筒式导 向结构的改造设想。
.155阀的故障分析和运行现状 三.155阀的故障分析和运行现状
(3).密封填料泄漏。 155阀的工艺条件苛刻，在各种因素的影响下， 即使采用了柔性石墨填料，也经常发生外漏现象，尤 其下填料泄漏显著，曾发生过必须采用带压堵漏以维 持正常运行的情况（因为下填料承受着入口压力的冲 击）。
3.2 运行现状
.155阀的故障分析和运行现状 三.155阀的故障分析和运行现状
(2).阀笼损坏，减压能力丧失。 该阀内外阀笼最早采用三只M6顶丝固定，我们曾在 大修中发现155阀芯外笼顶丝断了两根，外笼碎裂，阀 笼外圈面上的隔片大部分断裂，减压能力大幅降低。 其主要原因有： 外笼固定强度不够； 隔片根部圆角过小造成隔片根部应力集中； 内外阀笼间隙过大，顶丝固定不牢，易受到高压蒸汽 的冲击而发生振动和撞击。 我们将备件的隔片根部圆角增大，安装时取消顶丝， 内外阀笼采用6点均匀点焊致牢后，未发生阀笼损坏现 象。
155阀的性能参数和结构特点ppaa??22调节阀的阻力系数a调节阀连接管的横截面积由于流路复杂较大并且随着开度的变化变化较小而且阀上压降占系统压降的比值s较大接近于1管道上的压力降所占比重很小这就使阀由全关到全开时阀上的压降变化很小基本保持恒定从而满足了工艺压降稳定的要求
091PV155高压蒸汽减压阀 091PV155高压蒸汽减压阀 运行分析与改造设想
图一为155阀的工艺自控图，其作用是：
(1)开车时，来自电厂的高压蒸汽通过155阀减压后进入中压 蒸汽管网，以保持高压蒸汽管网压力稳定； (2)当KT1501开车时，随着其转速的提高，155阀的开度逐渐 减小，直到关闭； (3)正常生产时，155阀处于关闭状态，高压蒸汽全部进入 KT1501，KT1501耗用约40T/h，剩余部分抽出并入中压蒸汽管网； (4) 当 KT1501 事 故 停 车 时 ， 155 阀 应 立 即 打 开 ， 使 原 进 入 KT1501的高压蒸汽改由155阀减压后进入中压蒸汽管网；若155阀 不能满足这一要求，高压蒸汽管网就会超载，高压蒸汽安全阀就 会起跳，而导致工艺、设备事故的严重后果。化肥油改煤项目中， 对高压蒸汽管网进行了改造，增加了高压蒸汽压力控制阀 （PV1000）和手操放空阀（HV1001），完善了高压蒸汽系统的控 制，大大降低了155阀的故障风险。
ξ
ρ
二.155阀的性能参数和结构特点 .155阀的性能参数和结构特点
同时，该阀笼还具有降噪音的特点，其降噪音能 力和阀的流量特性由阀笼级数及其上所开孔的大小、数 量和排列来决定。 (2). 阀 芯 该 阀 芯 很 长 （ 1283mm ） ， 两 头 粗 （φ130mm），中间细（φ52mm）,阀芯密封截断尺寸稍 大（φ135mm），由于上下受力面积相差不大，故阀芯 所受不平衡力较小，属于内平衡式阀芯结构，其两头导 向部分和密封截断面处堆焊司特立合金，以增加硬度。 (3).执行机构 该执行机构是气动膜片和活塞（有效 直径φ450mm）混合型结构，输出推力较大，行程较长， 且由于活塞膜片的有效面积在动作过程中变化很小，弹 簧刚度、材料性能稳定，所以执行机构的理想线性较好。
四.155阀的改造设想 .155阀的改造设想
图 三 阀 门 结 构 改 造 示 意 图
.155阀的改造设想 四.155阀的改造设想
4.2 性能分析
4.2.1 Cv值分析 由调节阀的节流原理 改造前后Cv值之比
Q= A 2∆P
ξ
ρ
和 cv =
∆P
ρ
可知，
Cv后
D2 = = 1 .174 CV 前 D 2 − d 2
.155阀的故障分析和运行现状 三.155阀的故障分析和运行现状
阀芯不同轴度和弯曲变形，造成摩擦副之间摩擦力增大。 该阀芯最早采用三段式阀芯，后因同轴度达不到要求而 改用一段式平衡阀芯，阀芯的平衡式与Cv值要求其中间颈部 不能过粗，在64kgf/cm2的压差与侧向力作用下，该阀芯极易 弯曲变形。另外，对于17-4PH材质的阀芯，长期在高达510℃ 高温中运行是不合适的(17-4PH的理论最高操作温度不高于 427℃)，存在材质高温蠕变问题，这也是阀芯变形的重要原 因。 阀体部件的相对运动件发生拉毛，造成阻力增大。 155阀的阀体部件的相对运动件包括阀芯与阀笼、阀芯与 上下导向套、阀芯与上下填料及压盖等，在长期运行中，由 于侧向力、同轴度及弹簧座与阀芯的垂直度等因素的影响， 导致相对运动件之间发生拉毛现象，影响到它们的表面粗糙 度，最终造成阻力增大。
155阀的工艺作用 一、 155阀的工艺作用 二 、 155阀的性能参数和结构特点 阀的性能参数和结构特点 三 、 155阀的故障分析和运行现状 阀的故障分析和运行现状 四 、 155阀的改造设想 阀的改造设想
目 录
一.155阀的工艺作用 .155阀的工艺作用
图一 155阀的工艺自控图
.155阀的工艺作用 一.155阀的工艺作用