尿素裝置蝶閥調節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，內蒙古呼倫貝爾 021506）

1 概 述

調節閥在現代化工廠的自動控制中起著十分重要的作用，是組成工業自動化控制系統的一個重要環節，被稱為生產過程自動化的“手足”，正確選擇調節閥是確保系統穩定運行的關鍵。調節閥一般由執行機構和閥體部件組成：按所配執行機構使用的動力區分，可分為氣動調節閥、電動調節閥、液動調節閥3種；按閥體類型來區分，常用的有直通單座、直通雙座、角形、隔膜、三通、蝶形、套筒式、球形等調節閥。

呼倫貝爾金新化工有限公司（簡稱金新化工）尿素裝置中有多臺氣動蝶閥，運行過程中出現了閥板卡澀、閥位波動大等問題。蝶閥是一種常用的控制閥，具有結構簡單、體積小、重量輕、材料耗用省、安裝尺寸小等特點，適用于大口徑的閥門。蝶閥在調節時，以閥桿為軸心帶動閥板旋轉，從而達到開關或調節的目的，閥桿只作旋轉運動而不作升降運動，因而閥桿填料不易破壞、密封可靠，全開時有效流通面積較大，流體阻力較小。

蝶閥按結構形式可分為中心對稱蝶閥和偏心蝶閥。中心對稱蝶閥的結構特征是閥桿軸心、蝶板中心及本體中心在同一位置上，結構簡單，制造方便。偏心蝶閥主要有單偏心、雙偏心及三偏心等：單偏心是指蝶板的回轉中心相對于蝶板中心在軸向存在偏心距h；雙偏心在單偏心的基礎上增加了蝶板的回轉中心相對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上閥座所在圓錐形的高線與閥體通道軸線有一個夾角a，即角偏心。

2 尿素裝置蝶閥調節過程中存在的問題

金新化工尿素裝置共有12臺單偏心蝶閥，工藝介質的壓力、溫度都不高，介質溫度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節，以及蒸汽冷凝液的流量、溫度調節。這些氣動蝶閥安裝調試時閥門動作平穩、順暢，無任何問題，然而在尿素裝置運行過程中一些蝶閥開關過程閥位波動很大，造成系統工況出現較大的波動，有些蝶閥甚至出現卡澀、不動作的情況。

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

圖1 低壓調溫水系統工藝流程簡圖

FV3205是氣關閥，工作介質溫度65℃、壓力0.45MPa，關閉壓差為0.8MPa，氣源故障時打開，其執行機構型號為AT600DAF1436，最大輸出扭矩為1064N·m，該閥有副線。TV3201屬于氣開閥，工作介質溫度65 ℃、壓力0.45MPa，關閉壓差為0.8MPa，氣源故障時關閉，其執行機構型號為AT700S11AF1646，最大輸出扭矩為949.4N·m，該閥無副線。執行機構正常工作的儀表氣源壓力為0.5MPa。

在調節閥前后沒有工藝介質流過的時候，閥門動作很正常，但當管內流過溫度65℃、壓力0.45MPa的冷凝液時，FV3205關到15%左右就不再動作了，開啟副線切斷閥至20%開度后，FV3205調節正常。TV3201在運行了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，該調節閥都不動作，用手輪開閥門，在小開度的位置可明顯感覺到閥板卡澀，并且閥位波動較大。

3 可能原因

上述蝶閥都是采用單作用氣動活塞執行機構控制，執行機構為意大利AT品牌產品，配置AVP302電-氣閥門定位器，調試時閥位正確，排除了定位器的問題，那么，蝶閥出現上述問題的可能原因有哪些呢？

3.1 工況條件變化

如果運行工況條件與設計數據出現了較大的偏離，如介質溫度、壓力及調節閥關閉壓差等與設計不符，或者流過調節閥的介質潔凈度太差，都會導致調節閥無法正常運行。

3.2 數據表不準確

在調節閥數據表上，最大工作壓差是最重要的基本數據之一，如果該數據不準確，將可能導致所選擇的執行機構推力不足，也有可能導致閥門結構形式的選擇出現錯誤，閥門達不到允許壓差要求而關閉不嚴。閥門正常工作時，閥前的壓力通常不能作為允許壓差的計算根據，正常工作時閥前后的壓差可能并不大，但隨閥位開度逐漸變小，閥前后壓差會逐漸增大。

以閥門在正常工況下運行時閥前后的壓力計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閉時可能出現的差壓值，閥門即將關閉時，流體輸送設備出口壓力將達到設備運行的最高壓力，使得非正常工況下閥前后的壓差遠遠大于正常工作時的壓差，如此可能導致閥門開到某個閥位時就不再動作了。

3.3 選型設計不合理

閥門選型過程中必須知道兩個參數：一個是關閉閥門所需的扭矩，另一個是執行機構的最大輸出扭矩。為實現閥門的完全關閉，執行機構的最大輸出扭矩一般應不小于關閉閥門所需扭矩的1.3倍，設備廠家在選擇執行機構的時候，必須考慮這個條件，對于有聯鎖要求的，還需加大閥門執行機構的輸出力以實現快速關閉或者打開。

閥門在設計時，其允許壓差除了與閥門的結構形式有關外，還與執行機構的推力有關。執行機構的推力越大，閥門的允許壓差越大，但當允許壓差超出一定范圍后，可能無法配用更大推力的執行機構，這時就應選用允許壓差更大的閥門結構形式了。因此，執行機構扭矩大小的選擇及閥體結構的設計非常重要，在一些工況中壓差比較大的場合，所需的執行機構的扭矩也比較大，必須達到相應的要求，否則可能因執行機構推力不夠而致閥門關閉不嚴。

4 尿素裝置蝶閥調節失效的原因排查

對2臺蝶閥解體檢查，發現TV3201閥板密封面受損，出現了明顯的凹槽，閥板密封面處有變形，確認是因為閥板密封面處有變形的情況下閥板在即將脫離閥座的時候阻力增加，增大了閥門的開啟扭矩，導致調節閥不動作；檢查FV3205，確認其閥板、閥座完好，接入儀表空氣，再次調校閥門，閥門動作正常，閥位也正確，開啟工藝管道副線切斷閥部分開度后，調節閥前后壓差減小，FV3205調節正常，于是對FV3205執行機構的扭矩進行核算。

雖然在很多因素的影響下，閥門扭矩計算值并沒有試驗得出的結果精確，但閥門扭矩計算值仍有很大的參考意義。閥門扭矩計算要兼顧閥板與閥座的摩擦，閥軸與填料的摩擦，以及介質在不同壓差下對閥板的推力。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）計算時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）、動水力矩（Md）。蝶閥閥桿扭矩（MD）按下式進行計算：

計算蝶閥在關閉或開啟過程中的閥桿扭矩（MD），在蝶閥關閉最終或開啟最初時，由于此時蝶閥處于密封狀態（靜止狀態），因而Md＝0，且閥桿垂直安裝，Mj＝0；閥門在關閉或開啟過程中，即閥門處于動態過程時，關閉過程的Md為正值，開啟過程Md為負值。

偏心蝶閥閥桿扭矩（MD）計算時，其MM、MC、MT、Md按下式計算：

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

計算MM、MC、MT、Md時涉及到的量符號及其意義見表1。

表1 計算中涉及到的量符號及其意義

設計數據：FV3205全開時流量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；蝶閥的關閥時間t＝5s。查表得密封面的摩擦系數fM＝0.15，軸承的摩擦系數fC＝0.15，填料與閥桿的摩擦系數uT＝0.1，密封比壓qM＝4.7MPa。

當管道內無工藝介質時，管道內壓力為0，由上述公式可知，此時MC、MT、Md趨于零，即MD1＝MM，由式（2）計算得MM＝776478.7 N·mm。當管道內有工藝介質流過時，蝶閥關閥過程Md最大時，查表得λa＝146200、ζa＝3620、ζ0＝0.065。將設計數據代入上述計算式，由式（9）計算得介質流速V0＝8822.8mm／s，由式（7）、式 （8）計算得最大靜水壓頭H＝405720mm，由式（5）計算得動水力矩Md＝281.4N·mm，由式（6）計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。

通過上述計算可以很清晰地知道：當管道內無工藝介質時，閥桿扭矩MD1＝776.5N·m＜1064N·m（最大輸出扭矩），閥門動作正常；當管道內流過工藝介質時，閥桿扭矩MD2＝1416.7N·m＞1064N·m（最大輸出扭矩），執行機構扭矩偏小，閥門出現閥位波動、卡澀等現象。

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，增大了蝶板與閥座間的磨損，加大了開啟扭矩。而FV3205所配置的執行機構扭矩偏小，導致在閥前后壓差較大的情況下執行機構扭矩無法克服蝶閥開啟時的閥桿扭矩，因此，需解決單偏心蝶閥執行機構扭矩偏小的問題。為節省投資，充分利用現場設備，對單偏心蝶閥原有執行機構進行雙作用（取掉執行機構兩側的彈簧，成為雙活塞雙作用執行機構）最大輸出扭矩（Mmax）的驗算——最大輸出扭矩（Mmax）為活塞力（F）與力臂（L，為旋轉軸徑的半徑）的乘積。據設計數據——執行機構氣源壓力pS＝0.5MPa，活塞直徑D＝180mm，旋轉軸徑120mm，活塞軸截面長60 mm、寬30 mm，結合式 （11）、式（12）得出執行機構最大扭矩Mmax1＝2FTL＝1220.8N·m、Mmax2＝2FLL＝1454.0N·m。

通過上述計算可以很清晰地知道，將單偏心蝶閥改為雙活塞雙作用執行機構，可以增大執行機構的扭矩，但是執行機構的扭矩Mmax1依然小于管道內流過工藝介質時閥桿的最大扭矩MD2（MD2＝1416.7N·m），即將單偏心蝶閥改為雙活塞雙作用執行機構并不能使問題得到解決。于是，決定將 FV3205 執行機構型號更換為AT650DAF1646，AT650DAF1646的最大輸出扭矩為1787N·m。更換后，FV3205調節正常，問題得以解決。

（2）將TV3201調節閥閥板密封面受損部位維修處理后，TV3201調節正常。

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

6 結束語

蝶閥在設計時，正常開度一般在60% ～80%，當蝶閥在小開度下運行時，閥前后的壓差較大，閥門未在原設計工況下工作，就可能出現閥位波動的現象。因此，調節閥要盡量在設計工況下運行，小開度的工況不僅易損壞閥門，大大縮短閥門的使用壽命，而且可能導致閥門無法正常工作。當然，在閥門采購之初，更要準確提供閥門的數據表，這是保障閥門穩定運行的前提。

對于介質潔凈度差的設備及管道，除儀表人員要定期檢查、清理設備、閥門外，工藝人員也要定期清洗管道及設備內的雜質，并在某些關鍵位置采取相應的措施，如在閥前加濾網、管道上增設低點排污導淋等，如此可大大降低閥門出現故障的幾率，提高裝置運行的可靠性與穩定性。

綜上所述，金新化工尿素裝置單偏心蝶閥運行中出現的閥位波動大、閥板卡澀等問題，都是源于蝶閥執行機構的扭矩較小，未能克服蝶閥開啟時的閥桿扭矩，因執行機構推力不足而致調節失效。找到蝶閥調節失效的原因后，金新化工采取了更改氣路、改變執行機構作用方式、更換為輸出扭矩更大的執行機構等解決措施，其目的都是為了增大執行機構的扭矩。解決措施落實后，蝶閥運行中閥位波動大、閥板卡澀等問題得以解決，滿足了工藝操作的基本要求。希望上述關于單偏心蝶閥調節失效的解決措施，對業內類似工況下類似問題的解決有一定的借鑒作用。