黑水调节角阀的气蚀分析及改造方案

渭化集团公司合成氨装置灰水处理工段于1996年元月投入试运行，随着1号气化炉的投料试车而进入了试生产阶段。洗涤水给水槽(V1408)的灰水回流调节角阀FV-1404和FV-1405在投用后不到半年的时间内，曾于1996年5月中旬阀体被介质点状蚀穿而进行过一次补焊修复。修复后的调节角阀在运行了仅仅2个月之后，于1996年7月间再次被流体蚀穿，引起停车一次。经检查，阀体内壁及节流元件成海绵状，已被严重的腐蚀与气蚀。为了试生产的继续进行，采取了两项措施：一是向日本宇部公司索赔同型号同规格的灰水调节阀。二是对蚀坏的阀体采用超低碳不锈钢焊条对阀体内壁实施大面积堆焊，以最短的时间复位。经过抢修之后继续使用的这两台调节角阀，由于内部结构已经严重蚀坏，失去了调节作用，只能作为连通管道使用。

    1 黑水调节角阀腐蚀与气蚀的原因分析
      造成FV-1404和FV-1405灰水调节角阀损坏的原因主要有两个，第一是腐蚀，第二是气蚀。

      通过调节角阀的介质是含有细灰的灰水，工作压力7.4MPa，压差7.26MPa，调节角阀出口压力0.14MPa，介质温度为11O℃，灰水通过调节角阀恰恰处于这一温度下的饱和蒸汽压力附近(0.15MPa)，经过节流后闪蒸流体，在压力恢复区气泡炸裂，释放出强大的能量气蚀了阀体的内壁。

      另外，洗涤水呈碱性，pH值为9.0~9.6。而原设计中调节阀铸件阀体的材料是ASTM A217 Gr-WC9，属于一种合金结构钢的铸件形式，相当于国产钢的ZG15CrMo1V钢号，是非耐酸钢，对碱性介质缺乏足够的耐蚀能力，因此导致了阀体及内件的快速腐蚀。

      2 黑水调节角阀操作产生振荡
      研究FV-1404、FV-1405的腐蚀与气蚀现象与操作过程中产生振荡的问题，对后来新增P-1406的3号、4号泵出口回流阀的选型有很好的指导意义。

      2.1 消防水泵 设计条件
      工艺介质：灰水；
      最大流量：85m3/h；
      工作温度：110℃；
      上游压力：7.4MPa；
      下游压力：0.14MPa；
      阀关压差：8.9MPa；
      比    重：0.950；

      原设计调节阀型号：37-21125(执行机构隔膜的有效直径为De=33cm，气关阀)；形式：GLOBE阀，非平衡柱塞型阀内件，4B×1-1/2：供气压力：250kPa；流向：流开。

      2.2 黑水调节阀有效输出力计算
      执行机构输出力与作用于阀内件的最大不平衡力的计算如下。

      执行机构的最大输出力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——表示隔膜的有效面积(m3 )；
             Pe——表示供气压力(kPa)；
             Po——弹簧启动压力(kPa)；
             Pt——弹簧范围(kPa)；
             Pf——填料摩擦力的等效压力损失；

      气源管路及阀门定位器压力损失不计。阀关压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——阀座通径(cm)；
              ds——阀杆直径(cm)。
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      根据计算，执行机构的有效输出力Fe为：

      Fe= F - Ft

         = 9830.95 - 9948.40

         =-117.45(N)

      根据计算，有效输出力为负值，其结果是由于执行机构输出力的不足，产生阀位上下振荡。

      3 解决问题的办法
      3.1 提高阀门定位器的供气压力
      为了消除阀位上下振荡，在没有对调节角阀实施改造的情况下，唯一的办法是提高阀门定位器的供气压力，以达到提高输出力的目的。所以，将供气压力提高到280kPa(净提高量为30kPa)。此时执行机构的输出力为：

      F' =F+30×104×103•Ae

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

         = 12395.545(N)

      因为|F'|>|Ft|，所以阀位不会产生振荡。

      3.2 回流调节角阀的技术改造
      通过对FV-1404和FV-1405运行状况的论证分析，再根据计算得出的结果，可以得出原设计对FV-1404和FV-1405调节角阀选型错误的结论。为了增强其抵抗气蚀与腐蚀的能力，提高调节质量与可靠性，必须实施技术改造。

      笼式调节角阀，是专门针对存在气蚀与噪声的工况而设计的一种调节角阀。采用平衡型阀内件的笼式阀，不仅能够有效地克服静态与动态不平衡力，而且通过对阀笼的巧妙设计，可以把高压差流体携带的能量，分级降低或抵消在笼内，减少或消灭闪蒸与气蚀产生的条件。除此之外，合理选择阀体及阀内件材料，达到耐蚀的目的。

      4 灰水调节阀改造效果及推广应用
      最初对FV-1405的改造采用了FISHER公司的657/40-3”ET笼式阀，阀体采用CFSM SST Cast材质，阀内件采用17-4PH SST及416 SST材质，运行效果良好，有效地降低了气蚀并消除了振动，无故障运行时间达到了4个月以上。

      通过对阀内件的仔细观察发现，仍有少量气蚀现象发生。换句话说，阀笼对流体在通过节流口之前，对流体能量的消耗能力不够。在流体收缩断面，部分流体的压力仍低于工作温度下的饱和蒸汽压。

      在1406-3泵和1406-4泵项目上，回流阀采用双层笼式阀，分阶段地压力降使闪蒸受到抑制，由于控制了流体的运动速率及减轻了流体的冲撞，调节角阀内部构件的寿命大大延长，流关式的结构不但消除固体颗粒的危害，而且使阀门关闭更加严密。

      目前，FV-1404A调节阀、FV-1404B调节阀的无故障运行周期至少在一年以上。