尿素裝置蝶閥調(diào)節(jié)過程中的失效分析及解決措施

毛大軍

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506）

1 概 述

調(diào)節(jié)閥在現(xiàn)代化工廠的自動(dòng)控制中起著十分重要的作用，是組成工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，被稱為生產(chǎn)過程自動(dòng)化的“手足”，正確選擇調(diào)節(jié)閥是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體部件組成：按所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的動(dòng)力區(qū)分，可分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥3種；按閥體類型來區(qū)分，常用的有直通單座、直通雙座、角形、隔膜、三通、蝶形、套筒式、球形等調(diào)節(jié)閥。

呼倫貝爾金新化工有限公司（簡(jiǎn)稱金新化工）尿素裝置中有多臺(tái)氣動(dòng)蝶閥，運(yùn)行過程中出現(xiàn)了閥板卡澀、閥位波動(dòng)大等問題。蝶閥是一種常用的控制閥，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、材料耗用省、安裝尺寸小等特點(diǎn)，適用于大口徑的閥門。蝶閥在調(diào)節(jié)時(shí)，以閥桿為軸心帶動(dòng)閥板旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到開關(guān)或調(diào)節(jié)的目的，閥桿只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而不作升降運(yùn)動(dòng)，因而閥桿填料不易破壞、密封可靠，全開時(shí)有效流通面積較大，流體阻力較小。

蝶閥按結(jié)構(gòu)形式可分為中心對(duì)稱蝶閥和偏心蝶閥。中心對(duì)稱蝶閥的結(jié)構(gòu)特征是閥桿軸心、蝶板中心及本體中心在同一位置上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。偏心蝶閥主要有單偏心、雙偏心及三偏心等：?jiǎn)纹氖侵傅宓幕剞D(zhuǎn)中心相對(duì)于蝶板中心在軸向存在偏心距h；雙偏心在單偏心的基礎(chǔ)上增加了蝶板的回轉(zhuǎn)中心相對(duì)于蝶板中心在徑向存在偏心距e；三偏心是在雙偏心的基礎(chǔ)上閥座所在圓錐形的高線與閥體通道軸線有一個(gè)夾角a，即角偏心。

2 尿素裝置蝶閥調(diào)節(jié)過程中存在的問題

金新化工尿素裝置共有12臺(tái)單偏心蝶閥，工藝介質(zhì)的壓力、溫度都不高，介質(zhì)溫度40～180℃，壓力最低40kPa（A）、最高1.1MPa，主要用于閃蒸分離器工藝氣及低壓蒸汽的壓力調(diào)節(jié)，以及蒸汽冷凝液的流量、溫度調(diào)節(jié)。這些氣動(dòng)蝶閥安裝調(diào)試時(shí)閥門動(dòng)作平穩(wěn)、順暢，無任何問題，然而在尿素裝置運(yùn)行過程中一些蝶閥開關(guān)過程閥位波動(dòng)很大，造成系統(tǒng)工況出現(xiàn)較大的波動(dòng)，有些蝶閥甚至出現(xiàn)卡澀、不動(dòng)作的情況。

以低壓調(diào)溫水系統(tǒng)（其工藝流程見圖1）為例，低壓調(diào)溫水通過低壓調(diào)溫水循環(huán)泵（P306A／B）進(jìn)行循環(huán)，通過調(diào)節(jié)閥（TV3201）和旁路閥（FV3205）控制流過低壓調(diào)溫水冷卻器（E306）的水量來控制低壓調(diào)溫水的溫度，然后低壓調(diào)溫水進(jìn)入低壓甲銨冷凝器（E303）與甲銨液換熱。

圖1 低壓調(diào)溫水系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

FV3205是氣關(guān)閥，工作介質(zhì)溫度65℃、壓力0.45MPa，關(guān)閉壓差為0.8MPa，氣源故障時(shí)打開，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)型號(hào)為AT600DAF1436，最大輸出扭矩為1064N·m，該閥有副線。TV3201屬于氣開閥，工作介質(zhì)溫度65 ℃、壓力0.45MPa，關(guān)閉壓差為0.8MPa，氣源故障時(shí)關(guān)閉，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)型號(hào)為AT700S11AF1646，最大輸出扭矩為949.4N·m，該閥無副線。執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作的儀表氣源壓力為0.5MPa。

在調(diào)節(jié)閥前后沒有工藝介質(zhì)流過的時(shí)候，閥門動(dòng)作很正常，但當(dāng)管內(nèi)流過溫度65℃、壓力0.45MPa的冷凝液時(shí)，F(xiàn)V3205關(guān)到15%左右就不再動(dòng)作了，開啟副線切斷閥至20%開度后，F(xiàn)V3205調(diào)節(jié)正常。TV3201在運(yùn)行了10多天后，閥門卡在了15%左右開度的位置，無論主控輸入多大的開度信號(hào)，該調(diào)節(jié)閥都不動(dòng)作，用手輪開閥門，在小開度的位置可明顯感覺到閥板卡澀，并且閥位波動(dòng)較大。

3 可能原因

上述蝶閥都是采用單作用氣動(dòng)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為意大利AT品牌產(chǎn)品，配置AVP302電-氣閥門定位器，調(diào)試時(shí)閥位正確，排除了定位器的問題，那么，蝶閥出現(xiàn)上述問題的可能原因有哪些呢？

3.1 工況條件變化

如果運(yùn)行工況條件與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大的偏離，如介質(zhì)溫度、壓力及調(diào)節(jié)閥關(guān)閉壓差等與設(shè)計(jì)不符，或者流過調(diào)節(jié)閥的介質(zhì)潔凈度太差，都會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥無法正常運(yùn)行。

3.2 數(shù)據(jù)表不準(zhǔn)確

在調(diào)節(jié)閥數(shù)據(jù)表上，最大工作壓差是最重要的基本數(shù)據(jù)之一，如果該數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，將可能導(dǎo)致所選擇的執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力不足，也有可能導(dǎo)致閥門結(jié)構(gòu)形式的選擇出現(xiàn)錯(cuò)誤，閥門達(dá)不到允許壓差要求而關(guān)閉不嚴(yán)。閥門正常工作時(shí)，閥前的壓力通常不能作為允許壓差的計(jì)算根據(jù)，正常工作時(shí)閥前后的壓差可能并不大，但隨閥位開度逐漸變小，閥前后壓差會(huì)逐漸增大。

以閥門在正常工況下運(yùn)行時(shí)閥前后的壓力計(jì)算出來的壓差作為允許壓差往往偏小，最大工作壓差的含義是指閥門即將關(guān)閉時(shí)可能出現(xiàn)的差壓值，閥門即將關(guān)閉時(shí)，流體輸送設(shè)備出口壓力將達(dá)到設(shè)備運(yùn)行的最高壓力，使得非正常工況下閥前后的壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常工作時(shí)的壓差，如此可能導(dǎo)致閥門開到某個(gè)閥位時(shí)就不再動(dòng)作了。

3.3 選型設(shè)計(jì)不合理

閥門選型過程中必須知道兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是關(guān)閉閥門所需的扭矩，另一個(gè)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出扭矩。為實(shí)現(xiàn)閥門的完全關(guān)閉，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出扭矩一般應(yīng)不小于關(guān)閉閥門所需扭矩的1.3倍，設(shè)備廠家在選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的時(shí)候，必須考慮這個(gè)條件，對(duì)于有聯(lián)鎖要求的，還需加大閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力以實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉或者打開。

閥門在設(shè)計(jì)時(shí)，其允許壓差除了與閥門的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)外，還與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力有關(guān)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力越大，閥門的允許壓差越大，但當(dāng)允許壓差超出一定范圍后，可能無法配用更大推力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這時(shí)就應(yīng)選用允許壓差更大的閥門結(jié)構(gòu)形式了。因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩大小的選擇及閥體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要，在一些工況中壓差比較大的場(chǎng)合，所需的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩也比較大，必須達(dá)到相應(yīng)的要求，否則可能因執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力不夠而致閥門關(guān)閉不嚴(yán)。

4 尿素裝置蝶閥調(diào)節(jié)失效的原因排查

對(duì)2臺(tái)蝶閥解體檢查，發(fā)現(xiàn)TV3201閥板密封面受損，出現(xiàn)了明顯的凹槽，閥板密封面處有變形，確認(rèn)是因?yàn)殚y板密封面處有變形的情況下閥板在即將脫離閥座的時(shí)候阻力增加，增大了閥門的開啟扭矩，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥不動(dòng)作；檢查FV3205，確認(rèn)其閥板、閥座完好，接入儀表空氣，再次調(diào)校閥門，閥門動(dòng)作正常，閥位也正確，開啟工藝管道副線切斷閥部分開度后，調(diào)節(jié)閥前后壓差減小，F(xiàn)V3205調(diào)節(jié)正常，于是對(duì)FV3205執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩進(jìn)行核算。

雖然在很多因素的影響下，閥門扭矩計(jì)算值并沒有試驗(yàn)得出的結(jié)果精確，但閥門扭矩計(jì)算值仍有很大的參考意義。閥門扭矩計(jì)算要兼顧閥板與閥座的摩擦，閥軸與填料的摩擦，以及介質(zhì)在不同壓差下對(duì)閥板的推力。閥板、閥座、填料的種類較多，每一種都有著不同的摩擦力，接觸面大小各異，填料壓緊程度也不同，因此蝶閥閥桿扭矩（MD）計(jì)算時(shí)要考慮密封面間摩擦力矩（MM）、閥桿軸承的摩擦力矩（MC）、密封填料的摩擦力矩（MT）、靜水力矩（Mj）、動(dòng)水力矩（Md）。蝶閥閥桿扭矩（MD）按下式進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算蝶閥在關(guān)閉或開啟過程中的閥桿扭矩（MD），在蝶閥關(guān)閉最終或開啟最初時(shí)，由于此時(shí)蝶閥處于密封狀態(tài)（靜止?fàn)顟B(tài)），因而Md＝0，且閥桿垂直安裝，Mj＝0；閥門在關(guān)閉或開啟過程中，即閥門處于動(dòng)態(tài)過程時(shí)，關(guān)閉過程的Md為正值，開啟過程Md為負(fù)值。

偏心蝶閥閥桿扭矩（MD）計(jì)算時(shí)，其MM、MC、MT、Md按下式計(jì)算：

雙活塞雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸，其活塞推力（FT）和活塞拉力（FL）為單活塞桿雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸活塞推力和活塞拉力的2倍。

計(jì)算MM、MC、MT、Md時(shí)涉及到的量符號(hào)及其意義見表1。

表1 計(jì)算中涉及到的量符號(hào)及其意義

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：FV3205全開時(shí)流量Q＝2244 m3／h；閥座直徑為300mm，蝶板的密封半徑R＝150mm；公稱壓力p＝1.6MPa；密封面的接觸寬度bM＝12mm；閥桿與蝶板中心的偏心距h＝30mm；閥桿直徑dF＝30mm；填料層總高度hT＝30mm；蝶閥的關(guān)閥時(shí)間t＝5s。查表得密封面的摩擦系數(shù)fM＝0.15，軸承的摩擦系數(shù)fC＝0.15，填料與閥桿的摩擦系數(shù)uT＝0.1，密封比壓qM＝4.7MPa。

當(dāng)管道內(nèi)無工藝介質(zhì)時(shí)，管道內(nèi)壓力為0，由上述公式可知，此時(shí)MC、MT、Md趨于零，即MD1＝MM，由式（2）計(jì)算得MM＝776478.7 N·mm。當(dāng)管道內(nèi)有工藝介質(zhì)流過時(shí)，蝶閥關(guān)閥過程Md最大時(shí)，查表得λa＝146200、ζa＝3620、ζ0＝0.065。將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代入上述計(jì)算式，由式（9）計(jì)算得介質(zhì)流速V0＝8822.8mm／s，由式（7）、式 （8）計(jì)算得最大靜水壓頭H＝405720mm，由式（5）計(jì)算得動(dòng)水力矩Md＝281.4N·mm，由式（6）計(jì)算得作用在閥桿軸承上的載荷QC＝281394.5N，由式（3）得閥桿軸承的摩擦力矩MC＝633137.6N·mm，由式（4）得密封填料的摩擦力矩MT＝6782.4N·mm，則由式（1）得閥桿的最大扭矩MD2＝MM＋MC＋MT＋Mj＋Md＝776478.7＋633137.6＋6782.4＋0＋281.4＝1416680.1N·mm≈1416.7N·m。

通過上述計(jì)算可以很清晰地知道：當(dāng)管道內(nèi)無工藝介質(zhì)時(shí)，閥桿扭矩MD1＝776.5N·m＜1064N·m（最大輸出扭矩），閥門動(dòng)作正常；當(dāng)管道內(nèi)流過工藝介質(zhì)時(shí)，閥桿扭矩MD2＝1416.7N·m＞1064N·m（最大輸出扭矩），執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩偏小，閥門出現(xiàn)閥位波動(dòng)、卡澀等現(xiàn)象。

5 解決措施

（1）單偏心蝶閥被開啟后，蝶板并不能迅速脫離閥座，蝶板與閥座之間處于擠壓狀態(tài)，增大了蝶板與閥座間的磨損，加大了開啟扭矩。而FV3205所配置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩偏小，導(dǎo)致在閥前后壓差較大的情況下執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩?zé)o法克服蝶閥開啟時(shí)的閥桿扭矩，因此，需解決單偏心蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩偏小的問題。為節(jié)省投資，充分利用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，對(duì)單偏心蝶閥原有執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行雙作用（取掉執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩側(cè)的彈簧，成為雙活塞雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)）最大輸出扭矩（Mmax）的驗(yàn)算——最大輸出扭矩（Mmax）為活塞力（F）與力臂（L，為旋轉(zhuǎn)軸徑的半徑）的乘積。據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣源壓力pS＝0.5MPa，活塞直徑D＝180mm，旋轉(zhuǎn)軸徑120mm，活塞軸截面長(zhǎng)60 mm、寬30 mm，結(jié)合式 （11）、式（12）得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大扭矩Mmax1＝2FTL＝1220.8N·m、Mmax2＝2FLL＝1454.0N·m。

通過上述計(jì)算可以很清晰地知道，將單偏心蝶閥改為雙活塞雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩，但是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩Mmax1依然小于管道內(nèi)流過工藝介質(zhì)時(shí)閥桿的最大扭矩MD2（MD2＝1416.7N·m），即將單偏心蝶閥改為雙活塞雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)并不能使問題得到解決。于是，決定將 FV3205 執(zhí)行機(jī)構(gòu)型號(hào)更換為AT650DAF1646，AT650DAF1646的最大輸出扭矩為1787N·m。更換后，F(xiàn)V3205調(diào)節(jié)正常，問題得以解決。

（2）將TV3201調(diào)節(jié)閥閥板密封面受損部位維修處理后，TV3201調(diào)節(jié)正常。

（3）對(duì)尿素裝置其余單偏心蝶閥，通過類似計(jì)算進(jìn)行調(diào)節(jié)失效分析后，新增雙作用放大器，并對(duì)儀表氣路重新配管。技改后單偏心蝶閥閥桿最大扭矩符合要求，閥門動(dòng)作明顯改善——卡澀現(xiàn)象得以消除，閥位波動(dòng)問題得到解決，滿足了工藝人員的操控要求。

6 結(jié)束語

蝶閥在設(shè)計(jì)時(shí)，正常開度一般在60% ～80%，當(dāng)?shù)y在小開度下運(yùn)行時(shí)，閥前后的壓差較大，閥門未在原設(shè)計(jì)工況下工作，就可能出現(xiàn)閥位波動(dòng)的現(xiàn)象。因此，調(diào)節(jié)閥要盡量在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，小開度的工況不僅易損壞閥門，大大縮短閥門的使用壽命，而且可能導(dǎo)致閥門無法正常工作。當(dāng)然，在閥門采購(gòu)之初，更要準(zhǔn)確提供閥門的數(shù)據(jù)表，這是保障閥門穩(wěn)定運(yùn)行的前提。

對(duì)于介質(zhì)潔凈度差的設(shè)備及管道，除儀表人員要定期檢查、清理設(shè)備、閥門外，工藝人員也要定期清洗管道及設(shè)備內(nèi)的雜質(zhì)，并在某些關(guān)鍵位置采取相應(yīng)的措施，如在閥前加濾網(wǎng)、管道上增設(shè)低點(diǎn)排污導(dǎo)淋等，如此可大大降低閥門出現(xiàn)故障的幾率，提高裝置運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

綜上所述，金新化工尿素裝置單偏心蝶閥運(yùn)行中出現(xiàn)的閥位波動(dòng)大、閥板卡澀等問題，都是源于蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩較小，未能克服蝶閥開啟時(shí)的閥桿扭矩，因執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力不足而致調(diào)節(jié)失效。找到蝶閥調(diào)節(jié)失效的原因后，金新化工采取了更改氣路、改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式、更換為輸出扭矩更大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等解決措施，其目的都是為了增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩。解決措施落實(shí)后，蝶閥運(yùn)行中閥位波動(dòng)大、閥板卡澀等問題得以解決，滿足了工藝操作的基本要求。希望上述關(guān)于單偏心蝶閥調(diào)節(jié)失效的解決措施，對(duì)業(yè)內(nèi)類似工況下類似問題的解決有一定的借鑒作用。