減溫減壓器喘振問題的研究與應用

蔣化勇，苗同立，李福全，楊亮，宋海明，白成海

（兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊830000）

某公司0.6 Mt/a醇氨聯產項目，是采用該公司自主知識產權的四噴嘴水煤漿氣化技術，通過四噴嘴水煤漿氣化爐生產出水煤氣，經過低溫甲醇洗、液氮洗、甲醇合成、氨合成、尿素合成工藝，其產能為0.3 Mt/a甲醇，0.3 Mt/a合成氨和0.52 Mt/a尿素的現代化煤化工項目。其核心設備包括甲醇冰機、氨冰機、二氧化碳壓縮機、氨合成壓縮機等四大機組。

熱電裝置配置3臺煤粉鍋爐，通過3臺原裝進口美國CCI品牌減溫減壓器分別把9.8 MPa，540℃的高溫高壓蒸汽轉化為3.8，2.5，1.25 MPa的過熱蒸汽，為蒸汽管網提供穩定的汽源，是后序化工裝置四大機組中汽輪機穩定運行的動力來源。自2012年9月進入試開車以來，3臺減溫減壓器的減壓閥分別出現喘振、卡塞現象，造成系統溫度、壓力無法控制，發生超溫超壓現象，整套裝置被迫停車，嚴重影響了試開車工作的正常運行，同時給系統帶來重大的安全隱患。

為解決上述問題，減溫減壓器生產廠家多次到現場檢修處理，但減壓閥的卡塞、內漏及喘振等問題一直未得到有效解決，使整套裝置的試開車工作受阻，一度成為系統安全穩定運行的瓶頸問題。該公司成立了攻關小組，對出現問題的減壓閥解體研究，并分析了其結構形式、閥芯閥座材質以及密封形式，通過對減壓閥的改造，解決了減溫減壓器長期存在的瓶頸問題，實現了系統長周期安全穩定運行，給公司帶來巨大的經濟效益。

1 故障現象及問題分析

1.1 減溫減壓器運行技術參數

3臺減溫減壓器運行技術參數見表1所列。

表1 減溫減壓器運行技術參數

3臺減溫減壓器的減壓閥因前后壓差過高，均采用角形設計，水平安裝，結構形式采用先導式階梯閥芯結構，屬于平衡式套筒調節閥的一種結構，閥芯、閥座及套筒材質采用X19Cr Mo VNb N1材質，相當于A182-F91材質。密封形式采用自密封環密封，四分環結構，通過螺栓提升套筒預緊力。3臺減溫減壓器的減壓閥采用氣動執行機構，具有快開功能，在斷電、斷氣情況下，具有保位功能。采用意大利STI大功率閥門定位器，無需增速器等氣控元件。

1.2 減壓閥結構及工作原理

套筒整體安裝在閥體內，并卡在閥座上；套筒與閥體之間采用自密封環密封；分割環共4塊，鑲嵌在閥體分割環槽內；通過自密封螺母旋緊，依次壓緊自密封壓圈、分割環、密封環保護墊、密封環保護套，為自密封環的密封提供預緊力，同時提起套筒，通過分割環緊緊固定在閥體上。閥芯由主閥芯、先導式閥芯、閥芯壓環組成；先導式閥芯通過閥芯壓環固定在主閥芯里面，并留有一定的行程，通過執行機構帶動在套筒內平行運動，同時改變介質流過套筒通孔數量，控制介質流過套筒的面積，實現調節作用；先導式閥芯直接穿過套筒，經填料襯套、成形填料、填料壓套、填料壓蓋、填料螺釘密封，與執行機構連接。

當閥芯處于關閉狀態時，在執行機構的作用下，先導式閥芯緊緊壓在主閥芯上，主閥芯壓在閥座上，通過密封面密封，實現介質的切斷。閥門打開過程，由于主閥芯受到介質的沖刷力，在執行機構的帶動下，先導式閥芯首先打開，然后再帶動主閥芯打開，直至閥芯全部打開；閥門關閉過程，由于主閥芯受到介質的沖刷力，在執行機構的推動下，主閥芯與先導式閥芯同時向閥座方向運動，當主閥芯關到位后，執行機構繼續推動先導式閥芯運動，最后達到先導式閥芯和主閥芯關閉的目的。

1.3 故障現象

該3臺減溫減壓器自2012年9月投用后，運行穩定且使用效果良好。但3個月后，3臺閥門先后出現閥芯上下抖動，發生喘振現象，喘振頻率在180次/min左右。初始時閥位在15%～35%范圍內波動，之后逐漸擴大到15%～50%范圍內波動，閥門無法調節，后系統蒸汽壓力不能穩定，閥門振動也隨之加大，出現閥門附件損壞、閥門卡塞，造成系統被迫停車。經對閥門解體檢查，套筒縱向出現41 mm裂紋，主閥芯與套筒之間磨損嚴重。

1.4 減溫減壓器故障分析

1）套筒縱向裂紋產生的原因分析。閥門所處環境為高溫高壓工況，試開車期間開停車頻繁，閥門處在高溫和常溫交替變化環境中。由于套筒、閥芯閥座材質為X19Cr Mo VNb N1材質，該材質硬度和脆性均高，受溫度影響較大，工作溫度頻繁變化是套筒產生縱向裂紋的根本原因。

2）主閥芯與套筒之間磨損嚴重原因分析。由于套筒產生縱向裂紋，造成閥芯與套筒之間間隙過大，高壓蒸汽順該間隙串入閥芯頂部，使閥芯上下壓差加大，閥芯受到一定的高壓蒸汽的不平衡力；又因閥門為水平安裝，閥芯在自身重力和閥芯與套筒之間間隙過大的影響下，使閥芯與套筒的同軸度發生偏離，閥芯與套筒之間的摩擦力也會隨之增大，造成主閥芯與套筒之間磨損嚴重。

3）閥門喘振原因分析。閥芯采用先導式階梯閥芯形式，通過對主閥芯與套筒之間磨損嚴重原因的分析，主閥芯與套筒摩擦力增大。閥門在關閉過程中，主閥芯容易發生卡塞，在執行機構的推動下，先導式閥芯繼續向關位置運動，使先導式閥芯關閉，造成主閥芯前后不平衡力瞬間增大，閥芯被迫下移，小閥芯再次打開，主閥芯不平衡力減小，當閥門閥位在一定的給定值時，在閥門定位器的作用下，閥芯再向開方向運動，如此往復，閥門位置無法達到平衡，造成減溫減壓器的減壓閥發生喘振。

2 改造方案

通過對閥門喘振及卡塞現象的分析，問題與套筒材質和閥芯的結構形式有關，需要對套筒和閥芯進行改造。

2.1 套筒的改造

由于套筒材質為X19Cr MoVNbN1材質，硬度和脆性均高，套筒縱向出現41 mm裂紋，需要對套筒按照原尺寸加工。新材質采用A182-F6NM，做熱處理和硬化處理，該材質與X19Cr MoVNbN1相比，強度高但硬度基本一致，耐溫性好，熱膨脹系數小，且具有一定的延展性，針對頻繁開停車工況，采用該材質比較適合。

2.2 閥芯的改造

原先導式階梯閥芯結構，因閥門為水平安裝，主閥芯與套筒之間摩擦力較大，在關閉過程中，一旦主閥芯發生卡塞，先導式閥芯繼續關閉，主閥芯將會受到較大的不平衡力的作用，從而發生喘振現象。要解決該問題，必須保證主閥芯在發生卡塞時，先導式閥芯不能關閉，因此采取在先導式閥芯與主閥芯之間加裝碟簧的方案，即使在關閉過程中，主閥芯發生卡塞，先導式閥芯在關閉時，通過碟簧推動主閥芯一起關閉，直至主閥芯完全關閉，在執行機構的推力下，先導式閥芯壓緊碟簧，主閥芯關閉。采取該方案杜絕了在關閉過程中先導式閥芯關閉的問題。

主閥芯與套筒之間采用公差配合，但是由于閥門為水平安裝，在主閥芯自身重力的影響下，長周期運行會導致摩擦力逐步增大。為了解決主閥芯與套筒之間摩擦力較大的問題，采取了加長主閥芯的方案，在主閥芯末端焊接相同材質的小閥籠，使小閥籠深入到閥座內進行公差配合，長度保持與閥門的行程一致，保證閥門在全開時小閥籠始終處于閥座內部。通過加長小閥籠，可以實現對主閥芯的導向作用，保證主閥芯與套筒之間的同軸度，減輕主閥芯與套筒之間的摩擦力。關鍵技術在于小閥籠的開孔尺寸和數量，使閥門在運行過程中，小閥籠的通透面積要等于或略大于主閥芯和套筒的通透面積，才能夠保證閥門的流量特性不受小閥籠影響，而且小閥籠還能夠起到一定的降噪作用。改造后減壓閥結構如圖1所示。

圖1 減壓閥結構示意

3 改造實施情況

2013年5月大修期間，與無錫市亞迪流體控制技術有限公司合作，按照上述改造方案改造了3號減溫減壓器。技術人員對3號減溫減壓器套筒、主閥芯、閥座等閥內件進行了精確測繪，按材質要求采用A182-F6NM加工制作閥內件，并做了熱處理和硬化處理。經過現場安裝調試，投用后運行正常，喘振及卡塞現象消失，取得了良好的效果。

4 經濟效益

該技術是針對熱電管網或汽輪機旁路系統中高壓過熱蒸汽減溫減壓器長期以來一直依賴進口產品，但進口產品在實際使用過程中存在調節時閥門喘振現象，而進口廠家的售后服務人員又無法解決該問題而提出的一種改進型減溫減壓器結構。通過對閥芯的的結構改進可很好地解決閥門運行過程中的喘振問題，保證了減溫減壓器的連續運行，滿足了現場使用要求。

3號減溫減壓器的成功改造，為另外2臺減溫減壓器改造提供了理論支持，通過后續改造，3臺減溫減壓器實現了安全穩定運行，取得了良好的使用效果，并取得了《一種改良閥芯的減溫減壓器》國家專利。該技術的成功應用，解決了高壓過熱蒸汽減溫減壓器的喘振及卡塞問題，改變了該類閥門長期以來依賴進口的狀況，為減溫減壓器的國產化奠定了基礎。

5 結束語

高壓過熱蒸汽場合的減溫減壓器，減壓閥基本上都是套筒閥結構，只有使用多級式套筒才能滿足高壓差的使用要求。該閥門除具有調節要求外，還需要在關閉時實現嚴密關斷甚至零泄漏的目標。因為是高溫使用場合，主閥芯與套筒之間無法使用軟密封結構，金屬密封結構又不能滿足零泄漏的要求，因此該結構的閥門采用先導式閥芯結構，關閉過程中利用介質的壓力和蝶閥的彈力使先導式閥芯與主閥芯保持打開狀態，主閥芯上下壓力能夠保持平衡，全關時提供執行機構的推力，首先關閉主閥芯再關閉先導式閥芯，實現了零泄漏的要求；打開時，先打開小閥芯，大閥芯輕松打開，減少了執行機構尺寸，降低了成本。

由于考慮到減溫減壓器大都是臥式安裝的，因此閥芯與套筒的間隙很小，為了避免出現熱膨脹卡死現象，閥芯的外圓處加工了很多小槽，給予熱膨脹空間，避免出現卡死現象。