合成自動(dòng)放氨閥的新進(jìn)展|最新資料

合成自動(dòng)放氨閥的新進(jìn)展

黎海蛟

（湖南安淳高新技術(shù)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410015）

摘要：新型自動(dòng)放氨專(zhuān)用閥的使用壽命已經(jīng)達(dá)到一年半以上，從根本上解決了合成氨氨分和冷交的液位控制的難點(diǎn)問(wèn)題。介紹放氨閥的研究進(jìn)程和這種新型的結(jié)構(gòu)、工作原理以及應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：放氨閥；二相流；閥芯；套筒閥；口徑

中圖分類(lèi)號(hào)：P23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼；B文章編號(hào)：1000—3932（2001）05—0047—04

1、引言

合成氨工段的冷交和氨分都需要氨的液位控制，以氨的液封作用保證高壓系統(tǒng)的氣體不串入低壓系統(tǒng)。一般說(shuō)來(lái)這是容易實(shí)現(xiàn)的普通液位調(diào)節(jié)項(xiàng)目。但是，因?yàn)榉虐遍y的使用壽命極短（大約一個(gè)月失控），致使這個(gè)簡(jiǎn)單的液位調(diào)節(jié)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。近40年來(lái)，化肥行業(yè)、儀表閥門(mén)制造廠(chǎng)家以及科研單位先后做了不少工作，研制了各種對(duì)付高壓差液流的調(diào)節(jié)閥。實(shí)際效果各有不同，壽命大多在半年以?xún)?nèi)。較之普遍閥是有了很大的進(jìn)步，但沒(méi)有解決根本問(wèn)題。本人從放氨閥的損壞機(jī)理出發(fā)，對(duì)其他各種放氨加以研究，從結(jié)構(gòu)和材料等方面采取綜合措施，研制了新型的放氨專(zhuān)用閥。目前，在湖南攸縣湘東化肥廠(chǎng)、福建永安智勝化工聯(lián)合公司化肥廠(chǎng)應(yīng)用中，最長(zhǎng)使用期已經(jīng)超過(guò)一年半。從閥門(mén)的開(kāi)度情況看，仍然有很長(zhǎng)的使用壽命。

2、放氨閥的損壞機(jī)理

2.1 二相流體的存在是放氨過(guò)程特定的物理現(xiàn)象

二相流體產(chǎn)生的原因是兩種完全不同的因素。一種是處于高壓條件下的液氨通過(guò)閥的小間隙時(shí)其靜壓下降到飽和蒸汽壓之下，發(fā)生了閃蒸。然而，由于節(jié)流區(qū)域很短，汽化是不完全的。呈現(xiàn)二相液體共存狀態(tài)，其中氣體的體積超過(guò)液體的體積；另一種原因是高壓條件下生產(chǎn)的液氨中溶解有一部分氫氮?dú)怏w，放氨過(guò)程的大減壓使液氨中的氫氮?dú)怏w解析出來(lái)。據(jù)有關(guān)資料介紹，1m³液氨減壓時(shí)，解析出48m³氫氮?dú)怏w。很明顯產(chǎn)生的二相流體中間氣體的體積大大超過(guò)了液體的體積。因此未汽化的液氨的液滴懸浮于汽氨和氫氮?dú)怏w中，并被它們包裹著前進(jìn)。

2.2 高速度氨的液滴流的撞擊使閥芯超常磨損

單一的氣體其分子質(zhì)量小，流動(dòng)速度可以很高。單一的液體其分子質(zhì)量小，流動(dòng)速度可以很高。單一的液體其分子質(zhì)量較大，但流動(dòng)速度卻高不起來(lái)。因此單一流體對(duì)于閥芯形成不了破壞力。而二相流體里懸浮于氣體當(dāng)中的液氨的液滴具有了液體的質(zhì)量，同時(shí)具有了氣體的速度。質(zhì)量乘上速度，也就具有了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單一氣體或單一液體的動(dòng)能，于是就有了對(duì)閥芯、閥座的超常的破壞力量。這種損壞過(guò)程類(lèi)似噴沙過(guò)程，噴沙過(guò)程是空氣作為載體帶著磨料向前移動(dòng)，磨料的速度接近載體的速度。閃蒸過(guò)程中的液滴相當(dāng)于磨料，載體就是氫氮?dú)夂蜌獍?。其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同，雖破壞力稍遜，但嚴(yán)重的仍然可以在一周到一月間損壞一個(gè)閥。

現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察損壞的閥芯與氣蝕損壞的蜂窩狀的粗糙表面相比卻有一個(gè)非常光滑的外形，這就說(shuō)明：化學(xué)腐蝕和空化現(xiàn)象都微不足道。損壞的主要原因是閃蒸產(chǎn)生的二相流帶來(lái)的物理性破壞。減壓過(guò)程的氣體解析加劇了這種破壞。并使二相流不可逆轉(zhuǎn)的存在于放氨的全過(guò)程中。

3、各種放氨閥的結(jié)構(gòu)特征和解決壽命問(wèn)題的措施

多年以來(lái)為了解決高壓差閥的使用壽命問(wèn)題，閥門(mén)生產(chǎn)廠(chǎng)家先后生產(chǎn)了各種不同的閥，使用單位也在放氨的應(yīng)用中做過(guò)很多改進(jìn)的嘗試。其主要的措施無(wú)外乎幾種：即分段降壓；改變液流撣擊方式；使密封面與磨損面錯(cuò)開(kāi)；采用高強(qiáng)度材料。實(shí)踐說(shuō)明有些措施沒(méi)有效果或者效果很小，也可以看出單純采用一種措施遠(yuǎn)不如綜合運(yùn)用多種措施的效果好。問(wèn)題的關(guān)鍵在于能否針對(duì)閥的損壞機(jī)理對(duì)癥下藥。下面就幾種典型的結(jié)構(gòu)作些討論。

3.1 多級(jí)閥芯降壓

如圖1所示，這種調(diào)節(jié)閥采用了多級(jí)閥芯結(jié)構(gòu)。閥芯和閥座配合把調(diào)節(jié)閥總的壓差分成幾個(gè)小壓差，逐級(jí)降壓。設(shè)計(jì)意圖是使每級(jí)差壓都不超過(guò)臨界壓力。目的是防止因超過(guò)臨界壓力液氨閃蒸產(chǎn)生氣體，產(chǎn)生二相流。

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圖1多級(jí)閥結(jié)構(gòu)

這個(gè)結(jié)構(gòu)和方法有一定的效果，但是不能解決根本問(wèn)題。原因是放氨過(guò)程因?yàn)榻馕龆a(chǎn)生的氣體占的份量太大，它并不因?yàn)榻祲哼^(guò)程不超過(guò)臨界壓力而不產(chǎn)生解析。因此，即使避免了閃蒸，也避免不了二相流。充其量只是減少了少量閃蒸氣體，矛盾稍有緩和。與共相類(lèi)似的閥前后加節(jié)流件的方法，其原理和效果都差不多。

3.2 巷道式閥芯的專(zhuān)用閥

如圖2所示，西南某廠(chǎng)生產(chǎn)的這種閥主要的設(shè)計(jì)思路仍然是分散壓降的方法，它是使閥芯與閥座之間的節(jié)流區(qū)盡可能拉長(zhǎng)，形成一個(gè)降壓巷道，沿巷道長(zhǎng)度分散壓降。其次，由于閥芯的錐度可以做得很小，流體前進(jìn)方向與閥芯軸向夾角也很小。這樣一來(lái)，從節(jié)流孔入口噴出的流體對(duì)閥芯表面的垂直方面作用分力自然減少了。加之，閥芯材料處理后提高了硬度。因此，這種閥成為目前應(yīng)用得比較好的一種閥門(mén)。

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圖2巷道式閥芯專(zhuān)用閥

但是，同樣的原因：分散壓降不能避免二相流，因此根本的問(wèn)題還是難以解決。一般的使用壽命也就是半年左右。同時(shí)因?yàn)殚y芯的硬度的提高，帶來(lái)了新的問(wèn)題。氨閥的口徑一般都很小，采用長(zhǎng)巷道后閥芯的直徑就更小，硬度提高以后變得很脆弱。而且長(zhǎng)巷道的結(jié)構(gòu)使閥芯滑進(jìn)閥座時(shí)，若有不同心，徑向的剪切力變得很大，只要閥芯和閥座的同心度稍有偏差，就會(huì)折斷閥芯。這種情況屢見(jiàn)不鮮。

3.3 使密封面避開(kāi)二相流的沖擊的結(jié)構(gòu)

圖3所示為一種倒錐形的閥芯，設(shè)計(jì)者的意圖是在流體前進(jìn)方向上盡可能減小構(gòu)件迎角，避免流體從垂直于構(gòu)件表面方向撞擊。同時(shí)使磨損位置與密封面錯(cuò)開(kāi)。實(shí)際上這種結(jié)構(gòu)比較適合于手動(dòng)閥。自動(dòng)調(diào)節(jié)當(dāng)需要流量特性為等百分比時(shí)就不容易滿(mǎn)足要求了。使用當(dāng)中，這種閥的壽命也不長(zhǎng)。

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圖3倒錐形閥芯

3.4 閥芯閥座硬表面堆焊或采用新材料

國(guó)內(nèi)外廣泛采用司太立合金（Rc45）硬化工具鋼（Rc70）制造用于抗汽蝕的閥芯閥座。其中一些材料的硬度很高，也很脆。為了形成較好的整體機(jī)械性能，于是在某些不銹鋼基體上堆焊或噴焊這些材料（見(jiàn)圖4）。一般來(lái)說(shuō)這種方法適應(yīng)于較大尺寸的閥芯閥座。我國(guó)合成氨廠(chǎng)大多數(shù)裝置在年產(chǎn)10萬(wàn)噸以下，放氨閥的口徑很小，其閥芯也小，不便加工。同時(shí)，直徑小，材料硬度高，很容易折斷。

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圖4閥芯閥座硬表面堆焊或噴焊

筆者曾經(jīng)采用預(yù)膜鋯材料加工閥芯閥座，一方面造價(jià)高，另一方面效果也不盡如人意。大尺寸閥芯氧化膜控制得好，使用壽命比較長(zhǎng)。小閥芯要超過(guò)半年很難。其實(shí)各種改進(jìn)方案都飲食有材料的改進(jìn)。但是只考慮材料，不改變結(jié)構(gòu)，使用壽命不可能有大的提高。

3.5 新型放氨閥的主要改進(jìn)措施

3.5.1 采用套筒閥結(jié)構(gòu)

套筒式的結(jié)構(gòu)早已成為調(diào)節(jié)閥的基本結(jié)構(gòu)形式之一，但目前國(guó)內(nèi)高壓閥系列中尚無(wú)可供產(chǎn)品。即使在套筒式低壓閥的系列中小口徑規(guī)格也沒(méi)有產(chǎn)品。在高差壓、小流量閥中采用套筒式結(jié)構(gòu)是一個(gè)創(chuàng)新。設(shè)計(jì)者是基于這樣的考慮（見(jiàn)圖5）：

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圖5套筒結(jié)構(gòu)

從套筒壁上的對(duì)稱(chēng)小孔中噴入的流體成為二相流體，一方面流體在套筒中心相互撞擊，產(chǎn)生高度的擾動(dòng)，大量的擾動(dòng)使絕大多數(shù)高速度液滴失去了速度能，失去了破壞力，被流體的摩擦阻力轉(zhuǎn)換為熱能。另一方面噴射的液滴在套筒中心才達(dá)到高速度，才有破壞力。這時(shí)即使能夠穿越中心的液滴和撞擊后仍具有二次速度的液滴，要到達(dá)對(duì)面的筒壁會(huì)受到滯留筒腔內(nèi)的液體的阻擋。液體自行緩沖消能。這樣就避免了對(duì)閥塞（相當(dāng)于閥芯）和筒壁直接的破壞，保護(hù)了密封面。

還有一個(gè)結(jié)構(gòu)上的突出優(yōu)點(diǎn)是：閥塞始終在套筒內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，套筒起導(dǎo)向作用。不存在普通角式閥在啟閉過(guò)程中，因?yàn)殚y芯與閥座的不同心，導(dǎo)致對(duì)閥芯的徑向剪切力而折斷閥芯的現(xiàn)象。

很明顯，采用套筒式結(jié)構(gòu)可以解決很多其他結(jié)構(gòu)形式解決不了的問(wèn)題。但是，并非完美無(wú)缺。閥塞在套筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，二者之間總得有間隙，于是泄漏總是存在。要完全解決泄漏，結(jié)構(gòu)會(huì)變得很復(fù)雜。好在放氨過(guò)程流體是長(zhǎng)期連續(xù)的，不在乎是否有泄漏，而在乎泄漏是否小到足夠小。泄漏小到最小氨產(chǎn)量時(shí)，閥塞關(guān)閉后，液位能夠回升，而且泄漏量長(zhǎng)期保持不變，這就能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求了。

3.5.2 采用“側(cè)進(jìn)底出”流向

一般高壓角式閥采用“側(cè)進(jìn)底出”可以減少閥芯的磨損。這里采用這種方式是為了達(dá)到這樣的目的。由于采用“側(cè)進(jìn)底出”，閥塞底面處于低壓區(qū)域，處理好不平衡力之后，閥塞向上的推力很小，膜頭操作力也可以減小。更重要的是閥塞上面也處于低壓區(qū)，高壓填料只需要作低壓密封，密封問(wèn)題就容易解決了。

3.5.3 采用高強(qiáng)度、高硬度合金材料

二相流體當(dāng)中的液滴雖然具有很大的撞擊動(dòng)能，但它畢竟是液體，不具備固體的質(zhì)量和硬度。只要閥內(nèi)結(jié)構(gòu)件，特別是節(jié)流件閥套、閥塞采用了高強(qiáng)度高硬度材料；只要這些材料的強(qiáng)度和硬度達(dá)到足夠的程度即可以抵擋二相流的破壞。新型閥已經(jīng)找到并采用了這種材料。

4、新型放氨閥應(yīng)用中的一些問(wèn)題

4.1 放氨閥口徑和流通能力的選擇

放氨閥的選擇按理屬于常規(guī)的設(shè)計(jì)選型，沒(méi)有什么新的要討論的問(wèn)題。但是，口徑和流通能力問(wèn)題常常成為設(shè)計(jì)者與建設(shè)單位之間有爭(zhēng)議的事。因此，在這里特別加以闡明。

按照氨的年生產(chǎn)能力10000t/a條件下計(jì)算數(shù)據(jù)為：

Q1=2.48m3/η (流量)ρ=0.58g/cm3（密度）

P1=29000kPa（閥前壓力）p2=1600kpa（閥后壓力）

t1=30℃（閥前液體溫度）D1=1600kpf（管道直徑）

Fl=0.8（壓力恢復(fù)系數(shù)）PC=11378kpa（熱力學(xué)臨界壓力）

Pv=1216kpa（閥入口溫度條件下的飽和蒸汽壓）

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按照Ⅲ J型配套流程，其中冷交分離氨占75%，其它部分由氨分負(fù)擔(dān)。

因此：冷交為 Kv=0.145×0.75=0.108
氨分為 Kv=0.145×0.25=0.036

根據(jù)這個(gè)計(jì)算結(jié)果可以很方便地推算各種生產(chǎn)能力的裝置所需要的閥的流通能力的大小。Dn15的閥門(mén)最大流通能力可以達(dá)到4.0，可以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)任何廠(chǎng)家的生產(chǎn)要求。因此在口徑上再選大是完全沒(méi)有必要的。

4.2閥門(mén)管路的配置和閥門(mén)的工度控制要求

如圖6所示放氨閥采用側(cè)進(jìn)底出方式配管。所有管道及配套閥門(mén)口徑均為Dn15。因?yàn)楹铣晒ざ蝺?nèi)管道時(shí)有觸媒顆粒及污物，調(diào)節(jié)閥的孔徑小，非常容易堵塞。因此，設(shè)置有專(zhuān)用的高壓過(guò)濾器。

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圖6采用側(cè)進(jìn)底出方式配管的放氨閥

正常使用條件下調(diào)節(jié)閥前后的二個(gè)截止閥必須完全敞開(kāi)，以保證壓力全部降在調(diào)節(jié)閥上。而截止閥上幾乎沒(méi)有壓降，截止閥也就不易損壞了。一旦需要檢修，可以關(guān)閉而不會(huì)因泄漏而無(wú)法檢修調(diào)節(jié)閥。旁路上的截止閥必須完全關(guān)死，因?yàn)槠胀ń刂归y根本沒(méi)有防止氣蝕的設(shè)計(jì)，也沒(méi)有材料上的強(qiáng)化。使用以后的旁路截止閥會(huì)很快損壞，即使再關(guān)閉也避免不了泄漏。這時(shí)液位計(jì)處于下限仍然控制不了液位下降，往往讓人認(rèn)為是調(diào)節(jié)閥泄漏，其實(shí)不然。

當(dāng)然，解決問(wèn)題的根本辦法是仿照放氨調(diào)節(jié)閥的原理，設(shè)計(jì)新的截止閥。

4.3常見(jiàn)故障現(xiàn)象及其處理辦法

4.3.1堵塞和卡死

由于合成系統(tǒng)產(chǎn)生的油污，解媒顆粒及粉末、焊渣和其它金屬悄總是存在，因此設(shè)置了過(guò)濾器。但是過(guò)濾器的容納能力是有限的，因此過(guò)濾器通過(guò)固體物質(zhì)的最大孔徑設(shè)置為Ф2mm。大量可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥的小于Ф2mm的顆粒和粉末都讓其下泄，只攔截大于Ф2mm的物體。

可是對(duì)于那些某個(gè)方向上的尺寸小于Ф2mm，而其它方向上的尺寸又大于Ф2mm的個(gè)別小的顆粒（最典型的是無(wú)定形觸媒顆粒）有可能越過(guò)過(guò)濾器。這種小顆粒可能卡在套筒的通流孔里，并且伸到套筒內(nèi)使閥塞無(wú)法關(guān)閉。這種情況雖然極少發(fā)生，但是發(fā)生就得停止閥的使用，就要拆開(kāi)清理才能排除故障。因此在氨分、冷交上應(yīng)多想辦法，盡可能不讓污物通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥這支管路。

4.3.2自激震蕩

自激震蕩一種存在于控制系統(tǒng)回路當(dāng)中，另一種是存在于調(diào)節(jié)閥與閥門(mén)定位器所構(gòu)成的小回路中。無(wú)論哪一種自激震蕩都會(huì)造成閥門(mén)填料的急劇磨損，因此必須避免。

前一種情況發(fā)生的原因較復(fù)雜，要看系統(tǒng)當(dāng)中的哪一個(gè)環(huán)節(jié)有問(wèn)題，具體問(wèn)題具體解決。這種情況本人在岳陽(yáng)市化肥廠(chǎng)遇到過(guò)，由于處理不當(dāng)，造成填料早期磨損。二個(gè)月左右填料漏氨，只好停止使用。其實(shí)閥芯仍然是完好的。

調(diào)節(jié)閥和閥門(mén)定位器構(gòu)成的小的閉環(huán)當(dāng)中也會(huì)發(fā)生自激震蕩。原因是這個(gè)閉合回路的正向通道的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)發(fā)生相位移。當(dāng)閥的膜頭很小時(shí)，系統(tǒng)本身可能有的阻容校正環(huán)節(jié)不能克服足夠多的相移，致使負(fù)反饋?zhàn)優(yōu)檎答伭?，因而產(chǎn)生自激震蕩?；谶@個(gè)原因，所以設(shè)計(jì)中提出了小膜頭閥與電氣閥門(mén)定位器（特別是電П型）不適合配套，而應(yīng)當(dāng)采用電氣轉(zhuǎn)換器的問(wèn)題。

5、結(jié)論

一種思路是防止二相流體的發(fā)生，道理上是無(wú)可非議的。但是，二相流的來(lái)湖泊有二個(gè)卻只注意了一個(gè)。因此，想從根本上解決問(wèn)題卻根本解決不了問(wèn)題；另一種思想是承認(rèn)二相流發(fā)生不可避免，然后利用流體的特點(diǎn)，采取措施，避免二相流的后果。其效果相當(dāng)明顯。

放氨閥的使用壽命大幅度的延長(zhǎng)是基于對(duì)損毀原因的正確診斷而達(dá)到的。采取的設(shè)防措施是綜合性的，比較完備的，因而能夠達(dá)到好的效果。