高差壓蒸汽調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂的修復(fù)研究

陸冰(國(guó)能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

高溫高壓蒸汽減溫減壓調(diào)節(jié)閥(閥前/閥后壓力：10.0/4.2 MPa；閥前/閥后溫度：550/450 ℃)是各類大型化工企業(yè)全廠透平壓縮機(jī)組動(dòng)力蒸汽供給的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著全廠透平機(jī)組動(dòng)力蒸汽壓力、溫度、流量調(diào)解的重任，是保障化工裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)的重要保障。

某煤化工企業(yè)共有2套10.0/4.2 MPa減溫減壓器，承擔(dān)著熱電裝置向化工裝置蒸汽管網(wǎng)供汽壓力及流量調(diào)解的任務(wù)，工藝工況為：閥前/閥后壓力：10.0/4.2 MPa；閥前/閥后溫度：550/450 ℃；額定流量0～200 t/h。

頻繁出現(xiàn)閥桿斷裂的調(diào)節(jié)閥為“二線減溫減壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)閥”。該調(diào)節(jié)閥類型為氣動(dòng)籠式調(diào)解閥，為某知名進(jìn)口品牌原裝產(chǎn)品。閥門規(guī)格為6″(152.4 mm)、2 500 LB(42.0 MPa)，閥體材質(zhì)WC9、閥芯材質(zhì)316SS+STELLITE、閥桿材質(zhì)316SS，閥桿與閥芯連接方式為螺紋+銷釘連接。該調(diào)節(jié)閥于2010年1月投入使用，2011年11月、2012年12月22、2013年3月6日發(fā)生閥桿斷裂故障[1]。

1 設(shè)備現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥故障情況

該調(diào)節(jié)閥于2010年1月投入使用，2011年11月、2012年12月22日、2013年3月6日發(fā)生閥桿斷裂故障。其中，2013年3月6日11時(shí)22分該閥桿斷裂導(dǎo)致二線減溫減壓器供汽流量及供汽壓力飛升：故障前運(yùn)行工況為：鍋爐產(chǎn)汽及化工供汽負(fù)荷正常：鍋爐產(chǎn)汽(調(diào)節(jié)閥入口)參數(shù)為547 ℃、9.85 MPa；化工供汽參數(shù)為443 ℃、4.21 MPa；閥門開度為46%；實(shí)時(shí)蒸汽流量142 t/h，各項(xiàng)參數(shù)處于持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，在本次故障前發(fā)生過3次閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)(閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)原因?yàn)殚y桿與執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿連接塊松動(dòng)，閥芯在介質(zhì)流動(dòng)的沖力下帶動(dòng)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng))并導(dǎo)致閥位波動(dòng)的故障(閥位波動(dòng)約3%左右)，通過增加閥桿限位支架解決了閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)問題。閥位、調(diào)節(jié)閥出口流量及壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)；故障現(xiàn)象為：供汽流量由142 t/h增至滿量程，4.2 MPa母管壓力由4.19 MPa增至5.22 MPa，致使二線減壓器后安全閥動(dòng)作、二線減壓器出口管線劇烈震動(dòng)工藝管線內(nèi)襯短接脫落、供汽管線安全閥動(dòng)作，并導(dǎo)致二線減壓間的彩板房坍塌，因?yàn)樵摴に嚬芫€的安全閥放空管線從板房頂棚引出，安全閥超壓動(dòng)作后放空管產(chǎn)生劇烈擺動(dòng)(從放空管卡箍脫離判斷)，彩板房頂棚受放空管擺動(dòng)沖擊導(dǎo)致板房坍塌[2]。

1.2 故障原因分析

解體調(diào)節(jié)閥，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥閥桿與閥芯的連接銷釘斷裂(斷裂痕跡為舊痕跡)閥桿在其與閥芯連接處的螺紋末端斷裂(新痕跡)。造成閥門閥桿斷裂、閥芯脫落的主要原因是：閥芯閥桿連接結(jié)構(gòu)為螺紋+銷釘結(jié)構(gòu)，且閥桿與閥芯連接處的末端螺紋車削加工存在應(yīng)力痕成為應(yīng)力薄弱點(diǎn)，致使銷釘、閥桿在多重作用力的沖擊下斷裂。供汽管線安全閥動(dòng)作，并導(dǎo)致二線減壓間的彩板房坍塌，因?yàn)樵摴に嚬芫€的安全閥放空管線從板房頂棚引出，安全閥超壓動(dòng)作后放空管產(chǎn)生劇烈擺動(dòng)(從放空管卡箍脫離判斷)，彩板房頂棚受放空管擺動(dòng)沖擊導(dǎo)致板房坍塌。擺動(dòng)的原因?yàn)椋喊踩y出口管線放空彎頭處無淚眼設(shè)計(jì)，安全閥輕微泄漏導(dǎo)致彎頭處結(jié)冰、放空口堵塞，安全閥動(dòng)作后蒸汽沖擊力所致[3]。

2 研究?jī)?nèi)容與預(yù)期目標(biāo)

(1)改進(jìn)高壓差調(diào)節(jié)閥閥芯/閥桿連接結(jié)構(gòu)及加工工藝，消除系統(tǒng)應(yīng)力薄弱點(diǎn)，提升閥桿機(jī)械強(qiáng)度，避免閥桿斷裂事故；

(2)升級(jí)高溫高壓調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件材質(zhì)，提升調(diào)節(jié)閥適用性。

3 實(shí)施方案

(1)改進(jìn)閥芯(圖1)和壓板結(jié)構(gòu)，提升閥芯與閥桿連接點(diǎn)抗外力(不平衡力+彈簧推力)的機(jī)械強(qiáng)度；

圖1 原裝調(diào)節(jié)閥閥桿閥芯實(shí)物圖

(2)解決該調(diào)節(jié)閥用于化工裝置供汽(蒸汽減溫減壓器)工況，存在前后差壓大、開啟背壓大、閥芯閥桿連接點(diǎn)受扭力+剪切力+振動(dòng)應(yīng)力等多重作用，導(dǎo)致常規(guī)閥芯閥桿連接處在外力因素下出現(xiàn)螺紋松動(dòng)、及剪切斷裂等問題[4]；

(3)原閥芯部件采用閥桿與閥芯兩體結(jié)構(gòu)，閥桿外螺紋與閥芯內(nèi)螺紋配合連接，閥桿外圓長(zhǎng)度10 mm進(jìn)入閥芯內(nèi)孔，屬于小間隙配合，以保證閥芯閥桿的同軸度要求。并且閥桿閥芯連接處采用銷連接，防止螺紋松動(dòng)，閥桿與閥芯脫落現(xiàn)象。由于此法閥門為蒸汽減壓閥，閥門前后壓產(chǎn)大，閥門在調(diào)節(jié)減壓過程中產(chǎn)生閥芯的高頻振動(dòng)。閥芯閥桿采用的螺紋連接，以及閥桿導(dǎo)向與閥芯導(dǎo)向之間本就存在的間隙會(huì)使得閥桿的局部產(chǎn)生金屬疲勞現(xiàn)象發(fā)生。而閥桿最薄弱的部位就是閥桿打銷孔的地方，高頻振動(dòng)極易使得該部位產(chǎn)生金屬疲勞現(xiàn)象造成閥桿斷裂。事實(shí)證明，閥桿在更換后使用一周后閥桿斷裂，斷裂部位就是銷孔位置，并且是連續(xù)三次在同一部位斷裂。

針對(duì)此故障的發(fā)生進(jìn)行仔細(xì)研究，要解決此故障的繼續(xù)發(fā)生，其一，必須更改它的連接形式，對(duì)閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級(jí)，提升閥桿與閥芯連接處的機(jī)械強(qiáng)度。

其二，原閥門材質(zhì)選用的為閥芯、閥桿均為2Cr13材質(zhì)。閥門材質(zhì)在工程上的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件是十分復(fù)雜的，不同的介質(zhì)、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力等操作條件的組合，構(gòu)成了無數(shù)個(gè)選材條件，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該調(diào)節(jié)閥內(nèi)件原材質(zhì)對(duì)高溫高壓工況適用性無法滿足長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，閥部件采用9CrMoV材質(zhì)，閥芯頭部位采用均布堆焊合金材料。本次改造閥芯部件均采用9CrMoV材質(zhì)；原先導(dǎo)式預(yù)啟閥芯彈簧材質(zhì)在長(zhǎng)期高溫狀態(tài)下易產(chǎn)生疲勞，失去彈性狀態(tài)，在改造過程中對(duì)原彈簧進(jìn)行了材料升級(jí)，采用Inconel718材料，確保閥門在高溫狀態(tài)下保持足夠的彈性，防止閥門大小閥芯因?yàn)閺椈墒椥远斐纱笮￠y芯之間產(chǎn)生相對(duì)位移，閥門運(yùn)行時(shí)，加劇閥門的振動(dòng)。先導(dǎo)閥小閥芯的兩個(gè)防轉(zhuǎn)銷也采用Inconel718材料以確保閥芯振動(dòng)時(shí)防轉(zhuǎn)銷有足夠的強(qiáng)度克服金屬的相互磨損。閥內(nèi)件、彈簧升級(jí)后材質(zhì)性能如表1所示[5]。

表1 閥內(nèi)件、彈簧升級(jí)后材質(zhì)性能表

改進(jìn)后的閥芯結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示。

圖2 改造后閥內(nèi)件裝配圖

圖3 防轉(zhuǎn)銷安裝位置示意圖

其三，該閥原始設(shè)計(jì)期間為降低開啟差壓，采用了增設(shè)先導(dǎo)式預(yù)啟閥芯結(jié)構(gòu)，且預(yù)啟閥芯與閥桿為鑲套式分體結(jié)構(gòu)，在閥門初始開啟階段預(yù)啟閥芯與閥桿之間易產(chǎn)生相對(duì)位移，進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)啟死區(qū)(小閥芯行程死區(qū))、無法快速有效降低主閥芯開啟差壓、閥門噪聲偏高等問題。在本次改造中，對(duì)先導(dǎo)閥小閥芯與閥桿改進(jìn)為一體式，閥桿與小閥芯采用圓弧過度連接確保連接強(qiáng)度；小閥芯與防轉(zhuǎn)法蘭設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu)，小閥芯外圓加工為扁和法蘭的內(nèi)扁配合。大閥芯與法蘭盤通過兩個(gè)定位銷保證了二者的定位關(guān)系，同時(shí)法蘭盤與先導(dǎo)閥小閥芯閥桿一體結(jié)構(gòu)通過內(nèi)外扁確定了相互位置關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)了閥桿與大閥芯的位置關(guān)系，防止閥芯在介質(zhì)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，大小閥芯分體設(shè)計(jì)可以降低成本便于機(jī)械加工，降低加工難度[6]。

4 防范措施及建議

嚴(yán)苛工況調(diào)節(jié)閥內(nèi)件的結(jié)構(gòu)、加工工藝及加工精度都會(huì)對(duì)閥門對(duì)工況的適用性產(chǎn)生直接影響，在高流速、高差壓等工況的閥門選型及閥內(nèi)件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面要引起高度重視。在嚴(yán)苛工況調(diào)節(jié)閥選型時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注類似工況以往的典型故障，與制造廠開展深入技術(shù)探討及交流，避免制造商在設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。閥內(nèi)件的結(jié)構(gòu)、加工情況在閥門驗(yàn)收期間無法直觀觀察，對(duì)重要的調(diào)節(jié)閥，必要時(shí)可進(jìn)行工廠監(jiān)造及驗(yàn)收，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷及制造缺陷。

工程上應(yīng)首先選用標(biāo)準(zhǔn)材料，對(duì)必須選用的新材料，應(yīng)有完整的技術(shù)評(píng)定文件，并經(jīng)過省級(jí)及其以上管理部門組織技術(shù)鑒定，合格后才能使用。對(duì)必須進(jìn)口的材料，應(yīng)提出詳細(xì)的規(guī)格、性能、材料牌號(hào)、材料標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)要求，并按國(guó)內(nèi)的有關(guān)技術(shù)要求對(duì)其進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，合格以后才能使用[7]。

對(duì)安全閥出口放空管線低點(diǎn)開設(shè)淚眼，實(shí)現(xiàn)凝液的排放，消除了凝液凍結(jié)導(dǎo)致放空管堵塞的隱患。

5 相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)—應(yīng)力痕與應(yīng)力角

在金屬零部件肉厚突變、變徑車削、螺紋收口等部位通常會(huì)有一種應(yīng)力缺陷，叫做應(yīng)力痕(如圖4所示)。

圖4 原閥桿加工存在的應(yīng)力痕

上述部位在接近末端處，改用R型車刀加工成弧面，則可以消除應(yīng)力缺陷，這個(gè)弧面叫做應(yīng)力角，該應(yīng)力角可有效消除機(jī)架缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力薄弱點(diǎn)。

6 結(jié)語

目前，改造后的調(diào)節(jié)閥已連續(xù)運(yùn)行10年，徹底解決了閥桿斷裂的疑難問題，調(diào)節(jié)閥內(nèi)件使用壽命明顯提升，閥門運(yùn)行及負(fù)荷調(diào)整期間閥門噪聲由原來的85 dB將至71 dB(拒閥門1 m檢測(cè)數(shù)據(jù))，閥門蒸汽壓力調(diào)解的穩(wěn)定性明顯提升，實(shí)現(xiàn)了高差壓調(diào)節(jié)閥連續(xù)運(yùn)行10年無故障的突破。