【上海明精防腐閥門制造】減溫減壓控制閥的設計分析

減溫減壓控制閥是1種在蒸汽系統(tǒng)既能減低溫度、又能降低壓力且具有調(diào)節(jié)性能的自動控制閥。文中對減溫減壓控制閥設計中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析，提出閥門各部分的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方案和材質(zhì)的選用。
目前國內(nèi)還沒有針對減溫減壓控制閥進行更深入的研制和開發(fā)，而國內(nèi)煉油化工企業(yè)對減溫減壓控制閥的需求量還很大。因減溫減壓控制閥的短缺且無替代產(chǎn)品，每年都需要花費大量外匯從國外進口這種減溫減壓控制閥。該產(chǎn)品的研制成功，將替代國外進口的產(chǎn)品，滿足煉油化工企業(yè)的生產(chǎn)需要、節(jié)省大量投資。
由于減溫減壓控制閥使用工況條件比較惡劣，主要用于控制溫度高、壓差較大的調(diào)節(jié)。設計選擇了輸出力大的ZMSZ-4型多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)。即采用8組組合彈簧均勻地分布于膜頭之內(nèi)，這樣采用較小的彈簧組替代較大的獨立彈簧的方式，降低了加工成本，縮小了整體尺寸，使軸向長度縮短為原來普通結(jié)構(gòu)的1/3左右，特別是減溫減壓控制閥采用這種結(jié)構(gòu)后體積大大縮小，降低了安裝難度，方便了工藝配管的設計。同時節(jié)約了材料，降低了制造難度，控制了制造成本，上海明精提高了產(chǎn)品零配件的通用程度。
1.2 閥內(nèi)件
閥內(nèi)件是減溫減壓控制閥的關(guān)鍵部件，它直接影響減溫減壓控制閥的流量特性。過去通常采用普通單座閥芯、閥座，但這種型式閥內(nèi)件的可調(diào)比較小，使用壓差較低。由于現(xiàn)場工作條件苛刻，經(jīng)過幾年沖刷，閥芯的流量特性發(fā)生了較大變化，控制閥的減溫減壓的工作特性逐漸變壞，就經(jīng)常出現(xiàn)因汽、水分配不勻而產(chǎn)生打水錘現(xiàn)象，伴隨著閥芯震動又出現(xiàn)了閥芯轉(zhuǎn)動、卡滯的現(xiàn)象對生產(chǎn)造成較大影響。因此，對減溫減壓控制閥閥內(nèi)件型式進行了研究和設計;針對閥芯所受的不平衡力，閥門可調(diào)比較小的具體情況，將閥內(nèi)件設計成為籠式雙座結(jié)構(gòu)。提高減溫減壓控制閥工作穩(wěn)定性，增大可調(diào)比，消除了噪音.
1.3 分流配水器的結(jié)構(gòu)
分流器配水不均一直是困擾減溫減壓控制閥應用的難題。目前減溫減壓控制閥分流配水方式主要有2種頂部配水(閥芯中間)和底部配水結(jié)構(gòu)。采用底部配水結(jié)構(gòu)，在閥的底部配水，不將水直接注入在閥芯上使水不在閥芯上汽化，從而避免了閥芯震動的可能。上海明精為了提高注入與過熱蒸汽的換熱面積，將分流配水器設計成導流罩的形狀，同時在上面開出導流槽，水從導流槽里的孔中噴出與被導向的過熱蒸汽充分換熱汽化。采用分流配水器的結(jié)構(gòu)和閥內(nèi)件籠式雙座結(jié)構(gòu)具有較為先進水平。
2 材料的性能分析
2.1 機械性能
對于閥門的密封面的硬度指標，zui重要的是在高溫下材料硬度的變化，高溫下控制閥材質(zhì)的硬度變化見圖1。
1-鉻化硼合金;2-司太立合金;3-9Cr18Mo;
圖1 高溫下材質(zhì)的硬度變化
當減溫減壓控制閥的工況溫度超過400℃時，在實際使用過程中閥門材質(zhì)會出現(xiàn)蠕變和斷裂的情況。上海明精減溫減壓控制閥部件在高溫條件下長時間受載時，所受力超出其蠕變極限值，此情況下材質(zhì)除產(chǎn)生彈性變形外，還會產(chǎn)生材質(zhì)的蠕變。實際使用中還發(fā)現(xiàn)應力小于對應溫度下材料的屈服極限，但仍產(chǎn)生變形的情況，在設計過程中需要對這些情況進行考慮。
在同一溫度下，應力與蠕變速度成正比關(guān)系;在同一應力下，溫度與蠕變速度成正比關(guān)系。所以材質(zhì)所受的應力和材質(zhì)的溫度決定了其蠕變速度。在化工裝置的減溫減壓控制閥設計中，工藝管道系統(tǒng)的條件決定了閥體的工作溫度，而工藝介質(zhì)的腐蝕性、粘度等條件又決定了閥門的材質(zhì)，所以在減溫減壓控制閥設計中關(guān)鍵的是許用應力的計算確認。如果為了使控制閥材質(zhì)不產(chǎn)生蠕變，一味的提高材質(zhì)物理蠕變極限來設計，那么結(jié)果一是造成控制閥體積和質(zhì)量過大，給現(xiàn)場安裝帶來問題，二是將造成控制閥制造成本上升，浪費人力物力。所以首先要充分熟悉控制閥材質(zhì)的蠕變速度規(guī)律，確定一個合適的應力，在保證控制閥能達到正常使用年限的基礎上，減少總的蠕變發(fā)生，簡化控制閥結(jié)構(gòu)，降低成本。
在實際使用過程中，減溫減壓控制閥出現(xiàn)過由于長時間處于高溫載荷的工況下而出現(xiàn)控制閥部件斷裂現(xiàn)象，造成控制閥故障。金屬材質(zhì)在高溫短時荷載作用下，金屬材料的塑性增加，但在高溫長時間荷載作用下，塑性卻顯著降低，缺口敏感性增加，往往出現(xiàn)脆性斷裂的現(xiàn)象。實際使用中控制閥部件常常出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：工作應力未達到蠕變極限值，但由于部件長時間在高溫載荷下使用，zui終出現(xiàn)了斷裂的情況。所以在設計中應仔細對比控制閥材質(zhì)的蠕變性能和斷裂性能，選取適當?shù)脑S用應力。
2.2 熱脹量的差別
決定熱脹量差別的原因主要有材料熱脹系數(shù)、材料承受熱載的差別和材料所處約束條件的差別，這些差別作為減溫減壓控制閥設計中慎重確定的內(nèi)容。當高溫工藝介質(zhì)進入溫度較低的控制閥時，閥芯迅速浸沒在高溫工藝介質(zhì)中，由于閥芯所處的結(jié)構(gòu)位置不利于溫度的迅速傳導，僅能通過閥桿向外散熱，所以閥芯迅速達到管線工藝介質(zhì)的溫度。閥座與閥芯同時接觸高溫工藝介質(zhì)，由于閥座的具有較大的散熱面積以及閥體的線脹量常常小于閥座的徑向膨脹。而底部配水結(jié)構(gòu)，使水從導流槽里的孔中噴出與被導向的過熱蒸汽充分換熱汽化又降低閥芯、閥座的溫度。所以確定減溫減壓控制閥部件間的工作間隙量時，應充分考慮上述情況產(chǎn)生的熱脹量的差別，預防控制閥部件出現(xiàn)擦傷、卡死的情況。
2.3 熱交變的影響
流經(jīng)減溫減壓控制閥工藝介質(zhì)的熱交變會導致閥門部件的過盈配合或連接部位松動，從而造成泄漏。所以應考慮使用封焊或點焊的方式來代替原有的螺紋連接。上海明精對于較大口徑控制閥可以使用本體堆焊閥座的方式來進行處理。
減溫減壓控制閥高溫熱交變會產(chǎn)生交變應力，閥門部件長期受交變應力影響會降低閥門部件的使用壽命。熱交變工況下使用彈性閥座的密封結(jié)構(gòu)會達到較好的應用效果。
2.4 擦傷問題
在化工裝置實際生產(chǎn)應用中，常見的造成控制閥內(nèi)件擦傷的原因多是由工藝介質(zhì)中夾雜了大的硬雜質(zhì)，在其通過控制閥時對閥座和閥芯表面造成擦傷，偶爾也會出現(xiàn)由機械振動沖擊造成的擦傷。
為了防止出現(xiàn)擦傷，設計中需要重點關(guān)注控制閥的實際工作溫度、載荷，選擇適當?shù)拈y門部件材質(zhì)、密封面光潔度、硬度，防擦傷性能的配對材料選擇見表1。
表1 防擦傷性能的配對材料
2.5 材質(zhì)的確定
上海明精生產(chǎn)的減溫減壓控制閥在苛刻工況環(huán)境下，除了要考慮材質(zhì)的耐高溫性能，氣蝕對調(diào)節(jié)閥節(jié)流件的破壞是十分嚴重的。在結(jié)構(gòu)設計上采用籠式雙座結(jié)構(gòu)、多級降壓等措施以避免氣蝕，減少沖刷，也要在材質(zhì)上選用耐磨耐沖刷的高硬度材料。常用的是經(jīng)過熱處理的馬氏體沉淀硬化型不銹鋼17-7PH，經(jīng)固溶處理、時效處理，析出硬化型超高強度不銹鋼NASMA-164和馬氏體不銹鋼9Cr18。CO43CrNiWNb合金尤其用于高壓工況下的閥芯、閥座選用。常采用的材料和工藝方法也有以1Cr18Ni9為基的閥芯閥座密封面堆焊司太萊合金或超音速火焰噴涂(HVOF)WC-Co噴涂。
上海明精在減溫減壓控制閥設計中，控制閥所處位置的工況溫度是決定閥門材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題。為了保障控制閥的使用壽命和功能，在不同使用溫度下，明精控制閥應選擇不同的結(jié)構(gòu)形式以適應相應的工況。
(1)根據(jù)在實際生產(chǎn)經(jīng)驗得知，在不同溫度時設計中應注意5項內(nèi)容。
大于250℃增長閥蓋頸和閥桿，增大散熱面積保證填料工作溫度不至于過高。
大于300℃需使用強度較高的閥座、閥芯密封面，并適當增大閥內(nèi)件的間隙。
大于400℃使用封焊的方式對密封環(huán)進行處理，防止連接部件出現(xiàn)松動導致泄漏。
大于500℃應采用高強度材質(zhì)制造控制閥的導向套和導向段，并采用點焊方式進行導向套與其支承件的連接。
大于600℃應該選用本體堆焊密封面。
(2)選擇適當?shù)脑S用應力值，并合理的選擇能夠相匹配的材質(zhì)。
(3)在高溫熱交變工況下的閥座、閥芯應采用彈性結(jié)構(gòu)。