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调节阀气蚀对安全生产影响论述

供稿:中国工控网 2016/8/18 11:20:30

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  • 关键词: 调节阀 气蚀
  • 摘要:分析调节阀在流量控制过程中产生气蚀的机理及其危害性,提出调节阀气蚀破坏有效防护的方法,延长调节阀的使用寿命,保证调节阀的可靠性能,保证安全生产。

  1概述

  芳烃装置于2005年10月投产,已运行多年。在运行过程中发现蒸汽凝液调节阀气蚀严重,先后出现了内漏和外漏现象,在调节阀下线检修期间,工艺操作人员需不断的调整副线阀开度,控制换热器温度,导致产品质量波动现象发生。此装置蒸汽凝液调节阀8台(蒸汽凝水从2.3Mpa减到0.7Mpa),在2008年发现存在问题的调节阀5台,占总量的62.5%。其中外漏的两台更换了白钢阀体,剩余内漏的3台带病运行,给正常生产带来隐患,缩短了调节阀使用寿命。利用2009年停车大检修期间,采用提高材质及多级降压等方法,更换了全部蒸汽凝液调节阀,现运行正常,没发生内漏和外漏现象,提高了产品质量,有效保证了安全平稳生产。

  2 气蚀的产生原因

  现装置65%负荷情况下(设计能力是120%),8台调节阀的阀位基本在全行程的50%以下进行调节,有的甚至在5%~20%之间,致使调节控制过程中冷凝水由液态变为气态,产生了闪蒸和气蚀现象。

  2.1气蚀产生原因

  ① 闪蒸与气蚀

  如果调节阀上的前后压差(P1-P2)大于了介质的最大饱和压差(△Pmax),那么就会产生闪蒸,由此再产生气蚀,并对阀内件及相邻近的管道结构造成破坏。

  介质通过截面最小的节流口时流速是最大的,流速(或动能)的增加伴随着压力(或势能)的大大降低,当压力低于介质饱和蒸汽压时,气泡就会在介质中形成,随着节流口处压力的进一步下降,气泡会大量地形成,在此阶段闪蒸和气蚀之间没有本质的差别,但是对阀门的结构产生了一定的破坏力,其特点是受冲刷表面有平滑抛光的外形,冲刷最严重的地方是一般是在流速最高处,通常位于阀芯和阀座的接触线上或附近(图1)。

图1闪蒸、汽蚀产生过程

  ②闪蒸与冲蚀

  如果介质通过节流口后,压力仍低于介质饱和蒸汽压力,气泡将保留在节流口后的流束中,我们称之为闪蒸。闪蒸对阀门的阀芯会产生严重的冲刷破坏,其特点是受冲刷的表面有平滑抛光的外形,冲刷破坏最严重的地方一般是流速最高的地方,通常位于阀芯和阀座的接触线上或附近。尤其是在小开度,节流间隙小,流速高的环境下,冲蚀破坏也最严重。因此,调节阀应尽量避免小开度工作。再好的调节阀,若长期处于小开度工作,其寿命将成倍减小。

  ③气蚀

  气蚀是材料在液体的压力和温度达到临界值时产生破坏的一种形式,是一种水力流动现象,这种现象既能引起调节阀流通能力kV减小,又能产生噪音、振动及对设备的损害,进而严重影响调节阀的使用性能和寿命。也就是介质流经节流口后介质压力恢复到介质饱和蒸汽压力以上时,气泡会破裂或向内爆炸,从而产生气蚀。

  气蚀包括闪蒸和空化两个阶段。闪蒸阶段,当液体压力低于液体蒸汽压时,在液体中形成蒸汽泡,由液体携带气泡的边缘层向下游移动。闪蒸是一种系统现象,调节阀不能避免闪蒸的产生,闪蒸产生侵蚀破坏作用,在零件表面形成光滑的磨痕,通过表面硬化处理就可以解决。空化阶段,如果出口压力大于液体蒸汽压力,气泡就会破裂或爆破,同时产生巨大的压力冲击波,并通过液体向外传播,集中撞击管道壁和阀内零件,冲击到相近的金属表面上。气泡破裂对金属表面的冲击类似于微流喷射,它能以104MPa的压力,振动和碰撞管壁。在液体内,当气泡远离金属表面破裂时,产生球形压力波,此时,碰撞压力约为103MPa,且微流喷射的影响未达到金属固体壁。如果气泡接近金属表面破裂,微流喷射将直接冲击金属表面。

  由于,蒸汽气泡破裂释放出能量,并产生一种类似于砂石流过阀门的噪音。如果气泡在接近阀门内的固体表面破裂,释放出的能量会慢慢撕裂材料,留下蜂窝状的小孔。气蚀的破坏作用可能会延伸到邻近的下游管道,导致了外漏现象的发生。虽然调节阀的阀芯与阀座在出厂时已做表面硬化处理,但对于气蚀现象起不到任何防护作用(图2)。

图2汽蚀对金属表面的影响

  ④闪蒸与气蚀、冲蚀之间的关系

  调节阀在小开度工作时,节流口流速更快,压力更低,介质中气泡含量更多,因此,此时闪蒸破坏更严重,冲刷破坏是主要矛盾。在大开度工作时,主要矛盾是系统压力恢复到饱和压力以上时造成的气蚀破坏。所以,在使用调节阀时应尽量避免小开度工作,否则,阀很快会因气蚀、冲蚀作用而破坏。

  3 气蚀对安全生产的影响

  ①不能平稳生产。

  由于调节阀在小开度下工作,气蚀的破坏起主要作用,调节阀很快会出现内漏和外漏现象,不仅增加泄漏点而且也给装置的正常生产带来不稳定因素。

  ②影响产品质量。

  调节阀出现气蚀现象时,需下线检修,此时外操人员需在现场手动操作原阀的蒸汽加热量,不但造成蒸汽的浪费同时换热器温度也控制不稳定,给产品质量带来影响。

  ③产生噪音和震动

  当蒸汽凝水流经调节阀时,会在阀芯和阀座之间产生噪音和震动,造成管线晃动,严重的造成焊口断裂,致使蒸汽凝水喷出伤人,给人身、设备安全带来极大隐患。

  4 保证安全生产的措施

  4.1 阀体选用不锈钢材质,杜绝外漏发生。

  气蚀破坏与金属的机械性能和抗腐蚀能力有关,因为抗气蚀破坏主要是材料抵抗气泡破裂时形成重叠凹坑的能力,它随材料吸收能量的能力而改变。抗气蚀破坏较好的材料应具备坚实和均匀的细晶粒结构、变形能力大、抗拉强度和硬度高、加工硬化性好、疲劳极限和抗腐蚀疲劳极限强度高。韧性材料抗气蚀能力要高于脆性材料,因此,气蚀调节阀的阀体选用不锈钢,提高了抗气蚀能力,杜绝了外漏现象的发生,有效保证了安全生产。

  4.2多级压降分布,减低气蚀的危害。

  采用多级压降和增加流体出口面积,可以有效地控制流体速度。控制流体速度(相当于控制阀内的压力)是避免气蚀的有效手段,其目的是使阀内压力高于流体最低压力蒸汽压,避免蒸汽气泡破裂,较好的避免了阀内的气蚀,阀内的压降可以分成几段来实现。当调节阀上的压降产生在多级阀瓣上时,总压降被划分成几个较小的连续压降,在下一个节流级之前,流体压力被允许恢复到中间压力,一直到最后的压降,使气蚀消除在一个较大的延伸区内,避免了气蚀现象的发生。

  4.3调节阀选型是解决气蚀的主要因素。

  调节阀的选型将影响其对气蚀的敏感性。调节阀一般有两种形式,即低复原阀门(如截止阀等)和高复原阀门(如球阀和蝶阀等)。这两种形式的阀门在进口压力和压降相同的情况下,流体通过收缩截面时,高复原阀门的阀后出口压力恢复远大于低复原阀门。对截止阀而言,其通道的几何形状和湍流存在,会产生很大的流体阻力,因此,在阀后出口压力不会恢复很多。而对球阀而言,其进口流体阻力不大,在阀后出口压力恢复很多,如图3所示。

3高低压力恢复阀门的压力比较

  调节阀在安装使用之前,做好选型工作,可以最大限度避免气蚀现象的发生,延长调节阀的使用寿命,使调节阀在自动状态下进行远程操作控制,节约蒸汽用量,提高产品质量,有效保证人身、设备安全,为安全生产提供有力保障。

  5 结束语

  芳烃装置蒸汽凝水调节阀产生的气蚀现象,缩短了设备的使用寿命,耗费了大量的人力和物力,通过合理的选择阀体材质、阀门结构、阀开度大小,有效地控制气蚀所带来的破坏,确保了设备安全、稳定、长周期、经济运行。


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