渣水工况调节阀气蚀问题的解决方法.pdf

第 4 7卷第 2 期 2 0 1 1年 4月 石油化工 自 动化 AUTOM ATI ON I N PETR CHEM I CAL I NDUSTRY V o 1 ． 47，N o ． 2 Apr i l ，2O1 1 渣水工况调节阀气蚀 问题的解决方法 甘 露 中科合成油工程有 限公 司， 北京 1 0 0 1 9 5 摘 要 针对渣水泵的阀芯易损坏 的难题 ， 介绍了气蚀和闪蒸现象 ， 通过分析气蚀的形成原 因， 应用调 节阀串联 限流 L 板 的 方法 ， 合理分配调节阀 与限流 L 板的压差 ， 较好地解决 r渣水泵 出E l 稳压 回流调节阀的气蚀问题 。 关 键 词 渣水泵 ； 调节 阀； 气蚀 ； 限流孔板 中 图 分 类 号 T P 2 1 4 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 1 0 2 0 0 7 2 0 3 0 引 言 某装置 的渣 水泵 渣水 的 固体 颗粒 质量分 数 约 为 3 出 口稳 压 回流 调 节 阀 ， 在 投 用 3周 后 便 不 能正 常工作 。停 车拆解 后 ， 发 现调 节 阀的 阀芯出现 严 重 的损坏 ， 阀芯 的前 端有很 多粗 糙 的凹坑 。 经 查 阅相关文 献 ， 分析该 阀 的损坏 现象与气 蚀 造成的损坏现象相近， 气蚀造成的典型损坏形状为 类似于煤渣的粗糙表面， 初步判定该 阀的损坏是 由 气 蚀造成 的 。 1 气蚀 和 闪蒸 不可压缩流体 液体 通过调节阀的节流后 ， 其 压力 的变 化情 况如 图 1所示 。 由节 流 原理 可 知 ， 流 体在节 流时流速增加而静压 降低 ， 在节流 口后流束截 面并不立即扩大 ， 而继 续缩小 到一个 最小值 ， 此 处 流 速最大且静压最低 ， 称 为缩 流断面。缩流断面后 随着 流通截面的扩大 ， 流体 流速减慢 ， 静压 回升 ， 称为压力 恢复 。而 p 一 一 A p为不可恢复 的压力损失 。 图 1 不 可 压 缩 流 体 通 过 调 节 阀的压力 变化 缩流 断面处 的压 力 为节 流过程 中最低 的静 压 ， 如果该 处 的流速 增加 到足够 高 ， 那 么 将 会 降 低 到不 大 于 阀 门入 口温 度 下 的 流 体 饱 和 蒸 气 压 p ， 此时部 分液 体 就会 气 化 成 气体 或蒸 气 ， 形 成 气 泡 。流 体流 出节 流 区后 ， 压 力 回升 ， 若 压 力 回升 不 超过 入 口温度 下 的流 体饱 和蒸 气压 ≤ ， 那 么 流体 还将继 续气 化 ， 在 阀门出 口形成 气液共存 的现 象 ， 即 两相 流 ， 这 种现 象 称 为 闪蒸 。若 压力 回升 后 的压力 大 于入 口温度 下 的流 体饱 和蒸 气压 ， 气 泡破 裂 恢 复为液 体 ， 这 种现 象称 为气蚀 。在 气泡破 裂 的 瞬 间 ， 气泡 原来 占有 的空问就 形成 具有 高真空 的空 穴 ， 液 体在 高压差 的作 用 下 ， 以极 高 的速 度 流 向空 穴 ， 形成 有 冲击力 的微 喷 射 流和 压 力 波 ， 由于气 泡 中 的气 体和蒸 气来 不及 在瞬 间全部 溶解 和凝结 ， 因 而 在 冲击 力 的作用 下又 分成 小气泡 ， 再 被高压 力 的 流 体压缩 、 凝结 、 破 裂 ， 如 此形 成多 次反 复 。如 果气 泡 的破裂 发生 在 阀内件 的表 面处 ， 会 对材 料表 面造 成 高频 冲击 ， 所 形成 的冲击力 可高 达几 百甚至 上千 牛 顿 ， 冲击 频率 可 达 几万 赫 兹 ， 从 而 使 材料 产 生 疲 劳并 导致 机械 损 坏 。气 蚀损 坏 具 有 煤 渣似 的粗糙 外形 的特 点 ， 而闪蒸 造成 的物理 损坏 其外形 非 常光 滑类 似 于细 的喷砂 表面 。 2初始气 蚀指 数 相关 实验表 明 ， 在 调 节 阀人 口 P 和 阀 门 开 度 保持 固定时， 调节 阀的流量 q 与、 ／ ／ △ 的关系 曲线 如 图 2所 示 。 0 A,] ／ MP a 图 2 入 口压 力 和 阀 门 开度 固 定 时 调 节 阀的流量 与 关 系 收 稿 日期 2 0 1 l一0 22 1 。 作者简 介甘露 1 9 6 4 ， 1 9 8 5 年毕业 于兰州化工学校仪表 及 自动化专业 ， 长期从事 于国内外工程项 目的设计 、 施 工管理等工 作， 现在中科合成油工程有限公司从事自动化工程设计、 管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 甘 露．渣水工况调 节阀气蚀 问题的解决方法 从 a点开始直线开始弯曲， q 与 的比例关 系 开始失调 ， 根 据 实验 的观 察 结 果 ， 阀 门此 时 出 现 了损 伤 ， 因此将 此 点定 义 为初 始 气 蚀 点 ， 该 点 对 应 的 A p定 义 为初 始气 蚀 差压 A p ， 用 初 始气 蚀 指 数 来定 义该 点 K 二 一 一 1 Pl P Pl P 式 中 K 气 蚀 指 数 ； P 阀 门 入 口压 力 ， MP a ； P ， 阀门 出 口压力 ， MP a ； P 阀 门入 口 温度 下液 体 的 饱 和蒸 气 压 ， MP a ； A p 初 始 气 蚀 差压 ， MP a 。 根据 以上 实验 结 果 ， 可 以得 出 ， 如 果作 用 在 调 节 阀上 的差 压大 于 A p ， 调 节 阀将 开 始 出现 气 蚀或 闪蒸 。 根 据气 蚀指 数 的定义 ， 重新 分析 稳压 回流 调节 阀 的损 坏原 因 。该 阀的介 质为 渣水 ， 固体 质量分 数 为 3 ， 其 余 为 水 。入 口 温 度 为 1 2 0 ℃ ， P 为 7 ． 5 MP a ， P ， 为0 ． 4 MP a ， 流量 范 围 为 1 2 0 ～1 8 0 t ／ h 。 该 阀门为底进侧 出流开式角 阀。 查 阅相 关 文 献 后可 得 到 P 为 0 ． 2 MP a ， K 为 0 ． 6 4 。利用 式 1 ， 可求 得 A p 一 4 ． 6 7 2 MP a 。 而 实 际 作 用 在 调 节 阀 上 的 差 压A p 一 7 ． 1 MP a ， 远 大 于初 始 气蚀 差 压 A p ， 且 P P ， 故 而可 以确定 该 阀的损 坏是 由气蚀 造 成 的。 3气蚀 问题 的处理 为避 免气蚀 现 象对调 节 阀造成 损 坏 ， 根本 方 法 是避 免气蚀 现象 的产 生 。闪蒸 与气蚀 不 同 ， 如 果工 艺 的状 况 不 变 ， 只要 P P ， 闪 蒸现 象 必 然 会发 生 。而对 于气蚀 现象 ， 只要 在节 流 时 ， 产 生 的 A p ％ A p ， 则不会 发 生气 蚀 现象 。避 免 气 蚀 现象 产 生 的 最理想办法是采用抗气蚀专用调节阀， 目前各大知 名调节 阀制 造厂 均 有专 门用 于 气 蚀 工况 的抗 气 蚀 调节阀， 配有抗气蚀 阀内件 如多级迷宫式套筒 、 糖 葫芦 形 阀芯等 ， 对 流体进 行 逐级减 压 ， 最终抑 制 了 气蚀 现象 的产 生 ， 避 免对 阀 内件 造 成 损 坏 ， 提 高 阀 门的整 体使 用 寿命 。 由于该 工 况 中含 有 较 多 的 固 体颗粒 ， 且 颗粒 的粒 径 不 确 定 ， 若 采 用抗 气蚀 专 用 调节 阀的 风险较 高 ， 而 且 一 旦 阀 内件 损 坏 ， 维 修 更 换 的成 本很 高 。因此 该 工 况 不 太 适 宜采 用 抗 气 蚀 专 用调 节 阀。 分 析式 1 ， 如果要 抑制 气蚀 的产 生 ， 根 本方 法 是使 调节 阀的 A p K P 一 P ， 据 此 可 以得 到 三种 方法 选 用 K 值 更 大 的 阀 门 ； 将 调 节 阀安 装 在 系统 的较低 点 ， 维 持 A p不变 的情 况下 ， 提高 P ； 在 P 不 变 的前提下 提 高 P ， 使 A p K P 一P 。 目前 已选 用 的调节 阀为底进 侧 出流 开式角 阀 ， K 为 0 ． 6 4已经较大 ， 尽管还有 K 值更大的调节 阀 ， 鉴 于介质 中含 有 固体 颗 粒 ， 角 阀 的 流 道非 常 畅 通不易堵塞沉积 ， 若更换其他直通阀门对配管改动 更 大且 订货周 期 长 ， 因此仍 保 留该 阀 。 为避 免 对现场 的配管造 成较 大 的改 动 ， 调节 阀 的安 装位 置 维持 原 方 案 ， 故 而 方法 二 将 不 再 考 虑 。 对 于方法 三 ， 若 想 提 高 P 可 以通 过 在 阀 后 串 联 调 节 阀或者 限 流孔 板 来 实 现 。而 串联 调 节 阀或 者 限 流孑 L 板 同样是 采用 多级 降压 的方 法 ， 这与抗 气蚀 专 用 调节 阀的原 理是 一致 的 。 如果 采 用调节 阀串联调 节 阀 的方 法 ， 同样需 要 对 每一个 调节 阀的前后 压差 进行 分析 ， 避 免在任 意 一 级 减压 的过 程 中出现 气蚀 ， 对 阀 门造 成破 坏 。以 K 一0 ． 6 4为 例 ， 如 果需 要 将 7 ． 5 MP a的流体 平 稳 地减 压 到 0 ． 4 MP a而 不 产生 气 蚀 ， 需 要 在 主 调 节 阀后 串联 3个 副 调 节 阀才 能 实 现 。各 个 调 节 阀 的 前后 压力 和差 压见 表 1所列 。 表 1 主 副调 节 阀 前 后 压 力 和 差 压 对 比 MPa 若采 用此 方 案 ， 则 需 要 重新 采 购 3台调 节 阀 ， 成本 将会 非 常 高 ， 同时 现 场 也 没 有 足 够 的安 装 空 问 ， 所 以该 方案 不适 合 于该工 况 。 如果采用调节阀串联限流孔板的方法 ， 假设限 流孑 L 板 的 K 也 为 0 ． 6 4 ， 只需 要将 表 1中 的 3台 副 调节 阀改成 3块 孔板 即可 。限流孔 板 的结构 简单 ， 加工制 造周 期较 短 ， 便 于 采购 。现 场只需 要将 调节 阀后 的管道 切割 掉 一 段 ， 将 限流 孔 板 重新 焊 接 上 ， 安装 整 改工 作较少 。 4 差压 分 配 4 ． 1 调 节 阀与 限流孔 板差 压分 配 采 用 调 节 阀 串 联 限 流 孔 板 的 方 法 具 有 费 用 低 、 采 购周 期 短 、 现 场 整 改 工 作 少 的优 点 ， 但 是 调 节 阀和 限流 孔 板 的 差 压 分 配 工 作 较 为 烦 琐 。 由 于该 阀 门 的 正 常 流 量 为 1 5 0 t ／ h ， 最 小 流 量 为 1 2 O t ／ h ， 最 大 流 量 为 1 8 O t ／ h 。而 限 流 孔 板 是 固 定 的 节流 件 ， 不 能 调 节 ， 当流 过 限 流 孑 L 板 的 流 量 发 生变 化 时 ， 直 接 变 化 的便 是 限 流 孔 板 前 后 压 差 的变化 。 先将 串联 的所 有 限流孔 板视 为一 个整 体 ， 对 调 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 石 油化 工 自动化 第 4 7卷 节 阀和限 流孔板 在 3个 工 况 下 的 情况 做 一 个 简单 分 析 ， 可得到 一个 初步 的调 节阀和 限流孔 板 的差压 分 配情 况 ， 见 表 2所列 。 表 2 调节 阀和限流孑 L 板 的差压分配情况 根据 表 2 得 知在 最大 流量 时 ， 需要 调节 阀有一 个较 大 的流通 能力 ， 作 用 在 调 节 阀上 的差 压 较小 ， 气蚀 的风 险也较 小 ， 此 时将 气蚀 的风 险转移 至 限流 孔板 上 。在最小 流量 时 ， 作 用在 调节 阀上 的压差 最 大 ， 气 蚀 的风险 也最 大 。所 以应针 对需 要 的流量调 节范 围认 真 核 算 限流 孔 板 与 调 节 阀 的压 差 分 配 。 尽量在满足调节范 围的前提下降低调节 阀的气蚀 风 险 。 最 终确 定 在 正 常 工 况 下 ， 调 节 阀 前 后 压 差 为 3 ． 3 0 7 MP a ， 限流孔板 前后 压差 为 3 ． 7 9 3 MP a 。先 根据正 常工 况下 的流量 和压 差选 定 限流孔板 ， 再根 据 已选 定 的限流 孔板 ， 核算 出 限流孔板 在最 大和最 小工 况下 的前后 压差 。 4 ． 2 限流 孔板 内部 差压分 配 由于 串联 在 调节 阀后 的限流孔 板压差 较大 ， 且 根 据流 量 的变化 ， 差压 的变化 范 围也非常 大 。通 常 单 级孔 板不 能 满 足 减 压 的 要 求 ， 需 要 设 置 多 级 孔 板 。在 设置 多级孔 板时 ， 要采用 等 压差分 配 的方 法 来计 算 。按照 多级 调 节 阀 串联 分 配 压 差 的方 法来 确 定每 级 限流孔板 的差 压和 限流孔 板 的级 数 ， 以降 低在 限 流孑 L 板 处发 生气蚀 的风 险 ， 提 高整个 系统 的 使用 寿命 。 5 结束 语 通 过使 用 调 节 阀 串联 限流 孔板 的方 法较 好 地 解决 了渣 水泵 出 口稳 压 回流调节 阀的气蚀 问题 ， 目 前该 调节 阀 门已经连 续正 常工作 超过 1 2个 月 。 参考文献 [1] 陆德 民， 张振基 ， 黄步余 ． 石油化工 自动控 制设计手册[ M] ． 3版． 北京 化学 T 业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [2 ] 哈奇森 J w．美 国仪 表学会 调节 阀手册[ M] ． 2版．北 京 化 学 工 业 出版 社 ， 1 9 8 4 ． [ 3] 谢瑞五． 调节阀的空化 作用 及防护[ J ] ． 化工 自动化及 仪表， 1 9 7 9， 3 6 2 7 4 ． [ 4] 刘光德 ， 李宝华． 评估控制 阀空化气蚀损害 的方法 J 3 ． 石 油 化 工 自动 化 ， 2 0 0 9 ， 4 5 1 5 55 9 ． [5 ] 康 茜． 控制阀在苛刻工况下的应用I_ J 3 ． 石油化 工 自动化 ， 2 0 0 9， 4 5 2 7 07 2 ． [ 6] 刘芳． 控制阀闪蒸 和空化 现象及 阻塞流 的计 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