黑水調(diào)節(jié)角閥的氣蝕分析及改造方案

渭化集團公司合成氨裝置灰水處理工段于1996年元月投入試運行，隨著1號氣化爐的投料試車而進入了試生產(chǎn)階段。洗滌水給水槽(V1408)的灰水回流調(diào)節(jié)角閥FV-1404和FV-1405在投用后不到半年的時間內(nèi)，曾于1996年5月中旬閥體被介質(zhì)點狀蝕穿而進行過一次補焊修復。修復后的調(diào)節(jié)角閥在運行了僅僅2個月之后，于1996年7月間再次被流體蝕穿，引起停車一次。經(jīng)檢查，閥體內(nèi)壁及節(jié)流元件成海綿狀，已被嚴重的腐蝕與氣蝕。為了試生產(chǎn)的繼續(xù)進行，采取了兩項措施：一是向日本宇部公司索賠同型號同規(guī)格的灰水調(diào)節(jié)閥。二是對蝕壞的閥體采用超低碳不銹鋼焊條對閥體內(nèi)壁實施大面積堆焊，以最短的時間復位。經(jīng)過搶修之后繼續(xù)使用的這兩臺調(diào)節(jié)角閥，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)嚴重蝕壞，失去了調(diào)節(jié)作用，只能作為連通管道使用。

    1 黑水調(diào)節(jié)角閥腐蝕與氣蝕的原因分析
      造成FV-1404和FV-1405灰水調(diào)節(jié)角閥損壞的原因主要有兩個，第一是腐蝕，第二是氣蝕。

      通過調(diào)節(jié)角閥的介質(zhì)是含有細灰的灰水，工作壓力7.4MPa，壓差7.26MPa，調(diào)節(jié)角閥出口壓力0.14MPa，介質(zhì)溫度為11O℃，灰水通過調(diào)節(jié)角閥恰恰處于這一溫度下的飽和蒸汽壓力附近(0.15MPa)，經(jīng)過節(jié)流后閃蒸流體，在壓力恢復區(qū)氣泡炸裂，釋放出強大的能量氣蝕了閥體的內(nèi)壁。

      另外，洗滌水呈堿性，pH值為9.0~9.6。而原設(shè)計中調(diào)節(jié)閥鑄件閥體的材料是ASTM A217 Gr-WC9，屬于一種合金結(jié)構(gòu)鋼的鑄件形式，相當于國產(chǎn)鋼的ZG15CrMo1V鋼號，是非耐酸鋼，對堿性介質(zhì)缺乏足夠的耐蝕能力，因此導致了閥體及內(nèi)件的快速腐蝕。

      2 黑水調(diào)節(jié)角閥操作產(chǎn)生振蕩
      研究FV-1404、FV-1405的腐蝕與氣蝕現(xiàn)象與操作過程中產(chǎn)生振蕩的問題，對后來新增P-1406的3號、4號泵出口回流閥的選型有很好的指導意義。

      2.1 消防水泵 設(shè)計條件
      工藝介質(zhì)：灰水；
      最大流量：85m3/h；
      工作溫度：110℃；
      上游壓力：7.4MPa；
      下游壓力：0.14MPa；
      閥關(guān)壓差：8.9MPa；
      比    重：0.950；

      原設(shè)計調(diào)節(jié)閥型號：37-21125(執(zhí)行機構(gòu)隔膜的有效直徑為De=33cm，氣關(guān)閥)；形式：GLOBE閥，非平衡柱塞型閥內(nèi)件，4B×1-1/2：供氣壓力：250kPa；流向：流開。

      2.2 黑水調(diào)節(jié)閥有效輸出力計算
      執(zhí)行機構(gòu)輸出力與作用于閥內(nèi)件的最大不平衡力的計算如下。

      執(zhí)行機構(gòu)的最大輸出力Fmax：

      Fmax=Ae•(Pe–Po–Pt–Pf)•10-4•103

              =(33)2/4•π•[(250 - 20)- 20 - 80 - 15] •10-4•103

              = 9830.95(N)

      式中 Ae——表示隔膜的有效面積(m3 )；
             Pe——表示供氣壓力(kPa)；
             Po——彈簧啟動壓力(kPa)；
             Pt——彈簧范圍(kPa)；
             Pf——填料摩擦力的等效壓力損失；

      氣源管路及閥門定位器壓力損失不計。閥關(guān)壓差下的最大不平衡力Ft：

      Ft =  π/4•(dg2•△Pmax + ds2•P2)•10-4•103

          = π/4•[(3.8)2•(8.9×103- 0.14×103)+(1.3)2×0.14×103] •10-4•103

          = 9948.40(N)

      式中 dg——閥座通徑(cm)；
              ds——閥桿直徑(cm)。
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      根據(jù)計算，執(zhí)行機構(gòu)的有效輸出力Fe為：

      Fe= F - Ft

         = 9830.95 - 9948.40

         =-117.45(N)

      根據(jù)計算，有效輸出力為負值，其結(jié)果是由于執(zhí)行機構(gòu)輸出力的不足，產(chǎn)生閥位上下振蕩。

      3 解決問題的辦法
      3.1 提高閥門定位器的供氣壓力
      為了消除閥位上下振蕩，在沒有對調(diào)節(jié)角閥實施改造的情況下，唯一的辦法是提高閥門定位器的供氣壓力，以達到提高輸出力的目的。所以，將供氣壓力提高到280kPa(凈提高量為30kPa)。此時執(zhí)行機構(gòu)的輸出力為：

      F' =F+30×104×103•Ae

         = 9830.95 + 30×10-4×103×(33)2/4• π

         = 12395.545(N)

      因為|F'|>|Ft|，所以閥位不會產(chǎn)生振蕩。

      3.2 回流調(diào)節(jié)角閥的技術(shù)改造
      通過對FV-1404和FV-1405運行狀況的論證分析，再根據(jù)計算得出的結(jié)果，可以得出原設(shè)計對FV-1404和FV-1405調(diào)節(jié)角閥選型錯誤的結(jié)論。為了增強其抵抗氣蝕與腐蝕的能力，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量與可靠性，必須實施技術(shù)改造。

      籠式調(diào)節(jié)角閥，是專門針對存在氣蝕與噪聲的工況而設(shè)計的一種調(diào)節(jié)角閥。采用平衡型閥內(nèi)件的籠式閥，不僅能夠有效地克服靜態(tài)與動態(tài)不平衡力，而且通過對閥籠的巧妙設(shè)計，可以把高壓差流體攜帶的能量，分級降低或抵消在籠內(nèi)，減少或消滅閃蒸與氣蝕產(chǎn)生的條件。除此之外，合理選擇閥體及閥內(nèi)件材料，達到耐蝕的目的。

      4 灰水調(diào)節(jié)閥改造效果及推廣應用
      最初對FV-1405的改造采用了FISHER公司的657/40-3”ET籠式閥，閥體采用CFSM SST Cast材質(zhì)，閥內(nèi)件采用17-4PH SST及416 SST材質(zhì)，運行效果良好，有效地降低了氣蝕并消除了振動，無故障運行時間達到了4個月以上。

      通過對閥內(nèi)件的仔細觀察發(fā)現(xiàn)，仍有少量氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。換句話說，閥籠對流體在通過節(jié)流口之前，對流體能量的消耗能力不夠。在流體收縮斷面，部分流體的壓力仍低于工作溫度下的飽和蒸汽壓。

      在1406-3泵和1406-4泵項目上，回流閥采用雙層籠式閥，分階段地壓力降使閃蒸受到抑制，由于控制了流體的運動速率及減輕了流體的沖撞，調(diào)節(jié)角閥內(nèi)部構(gòu)件的壽命大大延長，流關(guān)式的結(jié)構(gòu)不但消除固體顆粒的危害，而且使閥門關(guān)閉更加嚴密。

      目前，F(xiàn)V-1404A調(diào)節(jié)閥、FV-1404B調(diào)節(jié)閥的無故障運行周期至少在一年以上。