超高溫高壓蒸汽放空閥國產化設計及應用

苗同立

(無錫市亞迪流體控制技術有限公司，江蘇 無錫 214161)

大型空分裝置的蒸汽放空閥，對閥門材質要求非常苛刻，應能滿足壓力為9.8～13.5 MPa，溫度為520～540 ℃的超高壓蒸汽。空分裝置開車時，需要不斷放掉超壓蒸汽以保護空分裝置安全穩定的開車。開車成功后，閥門需要嚴密關斷，否則將造成大量蒸汽的浪費。

目前該工況的蒸汽放空閥大都采用進口產品，但是進口產品在實際使用過程中也出現了各種各樣的問題，主要體現在閥門內漏超標、閥門打開速度較慢、閥門動作卡澀及喘振、迷宮套筒沖散、閥內件冷熱裂紋、閥桿閥芯脫落、閥座無法在線維修、噪音過大等問題。

無錫市亞迪流體控制技術有限公司從2012年開始就針對這種苛刻工況進行了基礎理論研究，并先后在一批煉化工程及煤化工項目中成功應用國產化超高溫高壓蒸汽放空閥，解決了上述進口產品的使用問題，性能超過了同類型進口產品，且已可以替代同類型進口產品。

1 進口蒸汽放空閥的使用問題分析

根據多年維修同類進口蒸汽放空閥的經驗，總結得出同類進口產品存在的主要問題和原因，這些經驗對國產化設計及應用起到了關鍵性的作用。同類進口產品出現的典型問題和原因主要有以下幾個方面。

1.1 泄漏超標

泄漏超標主要體現在：

1)閥芯導向欠佳，進口產品基本上都是上部導向，閥芯下部無導向或導向短，使得關閉時不能很好對中。

2)閥座與閥體密封墊圈采用石墨纏繞墊結構，高溫下石墨蠕變導致密封失效；有的廠家采用閥座閥體焊接在一起的結構，該原因忽略。

3)作用在閥座密封面上的分力不夠，由于出現閥門摩擦力增大卡澀現象，因此執行機構作用在閥座密封面上預緊力不足導致密封面泄漏。

4)密封面無分流保護設計，導致閥門打開時密封面處受高溫高壓蒸汽沖刷嚴重，密封面出現缺陷導致泄漏。

1.2 動作卡澀

動作卡澀主要體現在：

1)套筒沒有采用迷宮降壓結構，導致閥門側向介質沖擊力過大，閥芯偏移導致單側摩擦，摩擦力增大導致卡澀。

2)閥芯無下導向結構，導致大開度流量很大時，閥芯導向不好而卡澀。

3)設計間隙小，導致熱膨脹后的間隙太小導致動作卡澀。

1.3 閥門喘振

閥門喘振主要體現在：

1)閥芯卡澀、摩擦力增大，導致先導閥芯和主閥芯之間中間開度動作時出現關閉或接近關閉的狀態，定位器給信號時，閥門無法找準位置而發生喘振。

2)摩擦力太大時會導致動作有過沖，摩擦力太小時會導致動作太靈敏。

3)最小流量開度太小時會導致閥芯下部的節流面積小，流速很高，導致出現亂流現象使得閥芯動作不穩，因此發生喘振。

4)先導閥芯和主閥芯之間沒有預緊彈簧，導致動作時先導閥芯很容易與主閥芯關閉，這樣會加劇動作時先導閥芯的關閉和打開，導致喘振。

1.4 迷宮套筒沖散

迷宮套筒沖散主要體現在(有的廠家直接采用多孔套筒的除外)：

1)閥門大開度時，大流量蒸汽介質對閥芯下部的迷宮套筒沖擊嚴重，導致迷宮套筒承受很大的剪切力，如果釬焊質量不好，則容易沖散。

2)迷宮套筒除了每層釬焊之外，沒有采取其他措施加固，如增加加強銷釘等措施，導致純粹靠釬焊的強度對抗高壓大流量介質的沖刷。

3)迷宮套筒的設計位置不合理，有的廠家是把套筒放在閥座下面，導致閥前沒有降壓直接進入到迷宮套筒內，因此套筒內部的底板承受很大的壓力，從而會導致釬焊處承受很大的壓力，高溫下釬焊強度降低導致失效。

1.5 閥桿閥芯脫落

閥桿閥芯脫落主要體現在：

1)先導閥芯和閥桿采用螺紋加口頭焊接或銷釘連接，頻繁的動作和振動，會導致焊縫的失效或銷釘的剪斷，因此閥桿會出現退絲現象，導致閥桿和先導閥芯的脫落，閥桿動作時，無法打開閥芯進行放空。

2)先導閥芯在主閥芯內部的行程限位連接不合理，國外很多廠家大都采用行程壓板加螺栓連接或者采用內置擋圈限位。壓板螺栓在開關過程中承受沖擊力，加上螺栓突出也承受來自介質的沖擊，因此導致螺栓松動導致先導閥芯和主閥芯的脫落；如果采用內置擋圈，則擋圈也會承受開關過程中執行機構沖擊力導致薄擋圈失效而使得先導閥芯和主閥芯的脫落。

1.6 內件冷熱裂紋

內件冷熱裂紋主要體現在：

1)套筒沒有采用迷宮降壓結構，造成大流量沖擊時，套筒底部承受巨大的壓差沖擊力，導致套筒底部容易產生沖擊應力裂紋，但迷宮套筒成本高。

2)多孔式套筒的孔徑太大，套筒外徑被大孔分割的面積大，因此大流量沖擊時，套筒承受著比小孔設計時更大的沖擊力，但小孔加工的成本較高。

3)套筒、閥座、閥芯的設計結構不合理。有的廠家把套筒放在下部、閥座及下延長部分與閥體完全接觸、閥芯下延長部分與閥座內徑全長接觸。閥門在長期關閉時，套筒下部、閥座下部、閥芯下部處于冷態，一旦閥門打開，則會出現冷熱快速交換狀態，加上介質的高壓高速沖擊，導致上述零件的下部出現冷熱裂紋現象。

1.7 閥座無法在線維修

很多國外閥門廠家的閥座和閥體都是焊接在一起加工的，沒有做成分體式結構。由于閥蓋為自密封結構，因此無法使用閥蓋壓緊內件的方式壓緊閥座，分體式結構設計復雜。

1.8 閥門速度太慢

閥門速度太慢主要體現在：

1)側向摩擦力大導致執行機構負載增加，造成全行程動作速度慢。

2)氣缸尺寸選擇大，閥門行程長，導致打開全行程的體積大，加上附件配置不合理造成全開速度慢。

1.9 噪音過大

噪音過大主要體現在：

1)沒有采用迷宮套筒，很多國外廠家為了節省成本，大都采用多孔式結構套筒。

2)閥座內徑沒有分流結構，很多國外廠家閥座內孔是直接流向閥后管道的，閥座出口的流速極高，導致噪音很大。如果閥后有彎頭存在，則巨大的閥座內徑出口流速會沖擊彎頭處，也會導致機械噪音很大。

2 工況分析

由于傳送介質為高壓高溫過熱蒸汽，蒸汽溫度為520～540 ℃，閥前蒸汽壓力11～13 MPa，閥后蒸汽壓力1～1.5 MPa，閥后接有消音器，蒸汽流量最大400 t/h，閥門要求泄漏等級為FCI 70-2 Ⅴ級，閥門全行程時間小于2 s，管道材料為A335-P91。

空分裝置開車時，高壓高溫蒸汽為壓縮機組汽輪機運行提供動力，1根蒸汽母管上可能提供3套及以上的空分裝置汽輪機所需蒸汽量，蒸汽母管上設置蒸汽壓力放空閥。在壓縮機啟動時，蒸汽放空閥起壓力調節作用；壓縮機故障時，蒸汽放空閥起快速放空泄壓作用。因此在開車時會頻繁進行壓力調節，但一旦空分運行穩定后，蒸汽放空閥則完全關閉。

3 閥門主體結構及材料選擇

由于閥門的使用工況非常苛刻，最大壓差達12 MPa，而且蒸汽流量很大，泄漏等級要求較高，為了達到V級泄漏乃至零泄漏的目的，閥門的主體結構采用迷宮式套筒閥結構，但又不同于普通的套筒閥結構，必須具備自密封閥蓋結構、先導自密封閥芯結構、可拆卸式閥座、自密封閥座密封設計、防沖擊迷宮套筒結構、降噪分流閥座等結構。

閥門的主體承壓及控壓零件，基本都采用A182-F91材料，和管道材料及熱膨脹系數保持一致。閥桿材料選用熱強度高、熱膨脹系數和主體材料一致的B637-Inconel 718材料。閥芯、閥座密封面及導向面采用堆焊Stellite 12合金，以滿足高溫高壓高流速的蒸汽介質沖刷。

4 閥門結構設計及理論分析

為了解決同類進口產品在使用過程中的問題，通過采取針對性設計，避免出現類似問題的發生。

4.1 高壓差迷宮套筒在高流量下的防沖擊結構設計

圖1所示為迷宮套筒放在進口型腔內的設計，可避免放在閥座底部出現拉伸剪切應力的問題。同時在迷宮套筒外部增加防沖擊長條外套筒結構，避免了迷宮套筒的外圓承受直接沖擊，從根本上保護了迷宮套筒的耐沖刷能力。

4.2 閥桿與閥芯防脫落結構設計

圖2所示為先導閥芯和閥桿采用一體式鍛造結構，避免了采用螺紋加焊接結構容易出現的退絲現象。同時在行程先導閥芯行程壓板和主閥芯采用螺紋加騎縫螺釘結構，避免了采用突出螺釘的松動，該先導閥芯結構確保了Ⅴ級泄漏等級的實現。

圖1 組合迷宮套筒示意

圖2 先導閥芯組裝示意

4.3 可拆卸式閥座設計

由于閥蓋采用自密封結構，因此閥座要實現可拆卸式結構較為復雜，可拆卸式閥座結構如圖3所示。

圖3 可拆卸式閥座結構示意

分布在閥座上部的螺釘通過四分環壓緊閥座，內置的碟簧防松結構可確保閥座在開關過程中不會出現松動現象。

4.4 閥座密封結構設計

由于石墨纏繞墊一方面需要很大的預緊力，另一方面石墨在高溫下容易產生高溫蠕變，從而降低了密封性能。因此設計了圖4所示的金屬自密封結構閥座密封環，特殊結構的自密封環依靠介質的壓力產生自密封效果。密封環采用圖3所示的螺釘提供預緊比壓，靠關閉時閥座密封線和密封環密封線之間的面積差產生自密封效果，從而杜絕了閥座與閥體處的泄漏，確保了Ⅴ級泄漏等級。

圖4 閥座自密封結構示意

4.5 閥芯底部導向結構設計

如圖3所示，閥芯底部加長導向，一方面起到大開度下的穩定導向作用，減少了閥芯側向摩擦力，另一方面可對流體起到分流作用，減少了對閥座密封面的沖刷，從而確保了閥芯閥座密封面的壽命，也確保了閥門泄漏等級的實現。

4.6 套筒閥芯閥座等內件的防冷熱裂紋設計

如圖1所示，在迷宮套筒外部增加1個保護套筒，使迷宮套筒避免承受長期關閉突然打開時的介質沖擊力，從而避免迷宮套筒產生裂紋影響使用。

如圖4所示，閥座外徑與閥體導向接觸部分采用兩側導向中間內凹槽的設計，閥門長期關閉時，整個閥座除了自密封環和上下兩處短導向接觸外，閥座和閥體基本不接觸，因此閥座上部的蒸汽熱量很容易通過上部傳遞到閥座下部，使得保持整個閥座的上下受熱均勻，因此突然打開時不會出現冷熱交變狀態，避免了出現冷熱交變應力產生的裂紋現象。如果閥座外徑和閥體采用全部導向，則閥座上部的熱量傳遞到閥座時，很容易通過熱傳導和下部冷的閥體換熱，從而導致閥座下部無法加熱的問題；閥芯下部設計原理同閥座，也是采用虛開槽設計的原理確保整個閥芯上下的溫度均勻。

4.7 其他結構設計及計算

如分流閥座結構設計、執行機構快速動作的夾塊夾持PEEK材料導向零件設計、附件分體式安裝等，都確保了噪音的降低、快速動作的穩定運行等；同時進行了高溫下熱膨脹后的間隙計算、閥芯動作的防喘振計算等。

5 閥門各種工況下的有限元分析

對以下4種工況使用CFD和ANSYS等軟件進行有限元分析：

1)閥門長期關閉，突然打開的工況。

2)頻繁開停車，多次開關后的機械性能。

3)閥門冷態，閥前閘閥突然打開，高溫高壓介質流入到放空閥內。

4)閥門內部溫度壓力流速分布曲線。

得出優化的設計模型，從而更加確保現場各種工況的安全使用和穩定運行。

6 結束語

該結構設計已經多次成功應用在實際現場中，產品優良的使用性能得到了客戶的一致認可。產品不僅可以用在蒸汽放空閥場合，同時也可以推廣到大型減溫減壓器、蒸汽旁排閥等重要場合，以及可以廣泛應用到大型空分裝置、乙烯等高溫高壓蒸汽場合。