合成自動放氨閥的新進展|最新資料
合成自動放氨閥的新進展
黎海蛟
（湖南安淳高新技術有限公司，湖南長沙410015）
摘要：新型自動放氨專用閥的使用壽命已經達到一年半以上，從根本上解決了合成氨氨分和冷交的液位控制的難點問題。介紹放氨閥的研究進程和這種新型的結構、工作原理以及應用情況。
關鍵詞：放氨閥；二相流；閥芯；套筒閥；口徑
中圖分類號：P23文獻標識碼；B文章編號：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的氣體不串入低壓系統。一般說來這是容易實現的普通液位調節項目。但是，因為放氨閥的使用壽命極短（大約一個月失控），致使這個簡單的液位調節無法運轉。近40年來，化肥行業、儀表閥門制造廠家以及科研單位先后做了不少工作，研制了各種對付高壓差液流的調節閥。實際效果各有不同，壽命大多在半年以內。較之普遍閥是有了很大的進步，但沒有解決根本問題。本人從放氨閥的損壞機理出發，對其他各種放氨加以研究，從結構和材料等方面采取綜合措施，研制了新型的放氨專用閥。目前，在湖南攸縣湘東化肥廠、福建永安智勝化工聯合公司化肥廠應用中，最長使用期已經超過一年半。從閥門的開度情況看，仍然有很長的使用壽命。
2、放氨閥的損壞機理
2.1 二相流體的存在是放氨過程特定的物理現象
二相流體產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閥的小間隙時其靜壓下降到飽和蒸汽壓之下，發生了閃蒸。然而，由于節流區域很短，汽化是不完全的。呈現二相液體共存狀態，其中氣體的體積超過液體的體積；另一種原因是高壓條件下生產的液氨中溶解有一部分氫氮氣體，放氨過程的大減壓使液氨中的氫氮氣體解析出來。據有關資料介紹，1m³液氨減壓時，解析出48m³氫氮氣體。很明顯產生的二相流體中間氣體的體積大大超過了液體的體積。因此未汽化的液氨的液滴懸浮于汽氨和氫氮氣體中，并被它們包裹著前進。
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量小，流動速度可以很高。單一的液體其分子質量小，流動速度可以很高。單一的液體其分子質量較大，但流動速度卻高不起來。因此單一流體對于閥芯形成不了破壞力。而二相流體里懸浮于氣體當中的液氨的液滴具有了液體的質量，同時具有了氣體的速度。質量乘上速度，也就具有了遠遠超過單一氣體或單一液體的動能，于是就有了對閥芯、閥座的超常的破壞力量。這種損壞過程類似噴沙過程，噴沙過程是空氣作為載體帶著磨料向前移動，磨料的速度接近載體的速度。閃蒸過程中的液滴相當于磨料，載體就是氫氮氣和氣氨。其運動狀態完全相同，雖破壞力稍遜，但嚴重的仍然可以在一周到一月間損壞一個閥。
現場觀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非常光滑的外形，這就說明：化學腐蝕和空化現象都微不足道。損壞的主要原因是閃蒸產生的二相流帶來的物理性破壞。減壓過程的氣體解析加劇了這種破壞。并使二相流不可逆轉的存在于放氨的全過程中。
3、各種放氨閥的結構特征和解決壽命問題的措施
多年以來為了解決高壓差閥的使用壽命問題，閥門生產廠家先后生產了各種不同的閥，使用單位也在放氨的應用中做過很多改進的嘗試。其主要的措施無外乎幾種：即分段降壓；改變液流撣擊方式；使密封面與磨損面錯開；采用高強度材料。實踐說明有些措施沒有效果或者效果很小，也可以看出單純采用一種措施遠不如綜合運用多種措施的效果好。問題的關鍵在于能否針對閥的損壞機理對癥下藥。下面就幾種典型的結構作些討論。
3.1 多級閥芯降壓
如圖1所示，這種調節閥采用了多級閥芯結構。閥芯和閥座配合把調節閥總的壓差分成幾個小壓差，逐級降壓。設計意圖是使每級差壓都不超過臨界壓力。目的是防止因超過臨界壓力液氨閃蒸產生氣體，產生二相流。
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圖1多級閥結構
這個結構和方法有一定的效果，但是不能解決根本問題。原因是放氨過程因為解析而產生的氣體占的份量太大，它并不因為降壓過程不超過臨界壓力而不產生解析。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。與共相類似的閥前后加節流件的方法，其原理和效果都差不多。
3.2 巷道式閥芯的專用閥
如圖2所示，西南某廠生產的這種閥主要的設計思路仍然是分散壓降的方法，它是使閥芯與閥座之間的節流區盡可能拉長，形成一個降壓巷道，沿巷道長度分散壓降。其次，由于閥芯的錐度可以做得很小，流體前進方向與閥芯軸向夾角也很小。這樣一來，從節流孔入口噴出的流體對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，這種閥成為目前應用得比較好的一種閥門。
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圖2巷道式閥芯專用閥
但是，同樣的原因：分散壓降不能避免二相流，因此根本的問題還是難以解決。一般的使用壽命也就是半年左右。同時因為閥芯的硬度的提高，帶來了新的問題。氨閥的口徑一般都很小，采用長巷道后閥芯的直徑就更小，硬度提高以后變得很脆弱。而且長巷道的結構使閥芯滑進閥座時，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，就會折斷閥芯。這種情況屢見不鮮。
3.3 使密封面避開二相流的沖擊的結構
圖3所示為一種倒錐形的閥芯，設計者的意圖是在流體前進方向上盡可能減小構件迎角，避免流體從垂直于構件表面方向撞擊。同時使磨損位置與密封面錯開。實際上這種結構比較適合于手動閥。自動調節當需要流量特性為等百分比時就不容易滿足要求了。使用當中，這種閥的壽命也不長。
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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
國內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械性能，于是在某些不銹鋼基體上堆焊或噴焊這些材料（見圖4）。一般來說這種方法適應于較大尺寸的閥芯閥座。我國合成氨廠大多數裝置在年產10萬噸以下，放氨閥的口徑很小，其閥芯也小，不便加工。同時，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
筆者曾經采用預膜鋯材料加工閥芯閥座，一方面造價高，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。小閥芯要超過半年很難。其實各種改進方案都飲食有材料的改進。但是只考慮材料，不改變結構，使用壽命不可能有大的提高。
3.5 新型放氨閥的主要改進措施
3.5.1 采用套筒閥結構
套筒式的結構早已成為調節閥的基本結構形式之一，但目前國內高壓閥系列中尚無可供產品。即使在套筒式低壓閥的系列中小口徑規格也沒有產品。在高差壓、小流量閥中采用套筒式結構是一個創新。設計者是基于這樣的考慮（見圖5）：
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圖5套筒結構
從套筒壁上的對稱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，產生高度的擾動，大量的擾動使絕大多數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換為熱能。另一方面噴射的液滴在套筒中心才達到高速度，才有破壞力。這時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，要到達對面的筒壁會受到滯留筒腔內的液體的阻擋。液體自行緩沖消能。這樣就避免了對閥塞（相當于閥芯）和筒壁直接的破壞，保護了密封面。
還有一個結構上的突出優點是：閥塞始終在套筒內上下運動，套筒起導向作用。不存在普通角式閥在啟閉過程中，因為閥芯與閥座的不同心，導致對閥芯的徑向剪切力而折斷閥芯的現象。
很明顯，采用套筒式結構可以解決很多其他結構形式解決不了的問題。但是，并非完美無缺。閥塞在套筒內運動，二者之間總得有間隙，于是泄漏總是存在。要完全解決泄漏，結構會變得很復雜。好在放氨過程流體是長期連續的，不在乎是否有泄漏，而在乎泄漏是否小到足夠小。泄漏小到最小氨產量時，閥塞關閉后，液位能夠回升，而且泄漏量長期保持不變，這就能滿足生產要求了。
3.5.2 采用“側進底出”流向
一般高壓角式閥采用“側進底出”可以減少閥芯的磨損。這里采用這種方式是為了達到這樣的目的。由于采用“側進底出”，閥塞底面處于低壓區域，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，高壓填料只需要作低壓密封，密封問題就容易解決了。
3.5.3 采用高強度、高硬度合金材料
二相流體當中的液滴雖然具有很大的撞擊動能，但它畢竟是液體，不具備固體的質量和硬度。只要閥內結構件，特別是節流件閥套、閥塞采用了高強度高硬度材料；只要這些材料的強度和硬度達到足夠的程度即可以抵擋二相流的破壞。新型閥已經找到并采用了這種材料。
4、新型放氨閥應用中的一些問題
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的設計選型，沒有什么新的要討論的問題。但是，口徑和流通能力問題常常成為設計者與建設單位之間有爭議的事。因此，在這里特別加以闡明。
按照氨的年生產能力10000t/a條件下計算數據為：
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（壓力恢復系數）PC=11378kpa（熱力學臨界壓力）
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%，其它部分由氨分負擔。
因此：冷交為 Kv=0.145×0.75=0.108
氨分為 Kv=0.145×0.25=0.036
根據這個計算結果可以很方便地推算各種生產能力的裝置所需要的閥的流通能力的大小。Dn15的閥門最大流通能力可以達到4.0，可以滿足國內任何廠家的生產要求。因此在口徑上再選大是完全沒有必要的。
4.2閥門管路的配置和閥門的工度控制要求
如圖6所示放氨閥采用側進底出方式配管。所有管道及配套閥門口徑均為Dn15。因為合成工段內管道時有觸媒顆粒及污物，調節閥的孔徑小，非常容易堵塞。因此，設置有專用的高壓過濾器。
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圖6采用側進底出方式配管的放氨閥
正常使用條件下調節閥前后的二個截止閥必須完全敞開，以保證壓力全部降在調節閥上。而截止閥上幾乎沒有壓降，截止閥也就不易損壞了。一旦需要檢修，可以關閉而不會因泄漏而無法檢修調節閥。旁路上的截止閥必須完全關死，因為普通截止閥根本沒有防止氣蝕的設計，也沒有材料上的強化。使用以后的旁路截止閥會很快損壞，即使再關閉也避免不了泄漏。這時液位計處于下限仍然控制不了液位下降，往往讓人認為是調節閥泄漏，其實不然。
當然，解決問題的根本辦法是仿照放氨調節閥的原理，設計新的截止閥。
4.3常見故障現象及其處理辦法
4.3.1堵塞和卡死
由于合成系統產生的油污，解媒顆粒及粉末、焊渣和其它金屬悄總是存在，因此設置了過濾器。但是過濾器的容納能力是有限的，因此過濾器通過固體物質的最大孔徑設置為Ф2mm。大量可以通過調節閥的小于Ф2mm的顆粒和粉末都讓其下泄，只攔截大于Ф2mm的物體。
可是對于那些某個方向上的尺寸小于Ф2mm，而其它方向上的尺寸又大于Ф2mm的個別小的顆粒（最典型的是無定形觸媒顆粒）有可能越過過濾器。這種小顆?？赡芸ㄔ谔淄驳耐骺桌?，并且伸到套筒內使閥塞無法關閉。這種情況雖然極少發生，但是發生就得停止閥的使用，就要拆開清理才能排除故障。因此在氨分、冷交上應多想辦法，盡可能不讓污物通過自動調節閥這支管路。
4.3.2自激震蕩
自激震蕩一種存在于控制系統回路當中，另一種是存在于調節閥與閥門定位器所構成的小回路中。無論哪一種自激震蕩都會造成閥門填料的急劇磨損，因此必須避免。
前一種情況發生的原因較復雜，要看系統當中的哪一個環節有問題，具體問題具體解決。這種情況本人在岳陽市化肥廠遇到過，由于處理不當，造成填料早期磨損。二個月左右填料漏氨，只好停止使用。其實閥芯仍然是完好的。
調節閥和閥門定位器構成的小的閉環當中也會發生自激震蕩。原因是這個閉合回路的正向通道的各個環節都會發生相位移。當閥的膜頭很小時，系統本身可能有的阻容校正環節不能克服足夠多的相移，致使負反饋變為正反饋了，因而產生自激震蕩?；谶@個原因，所以設計中提出了小膜頭閥與電氣閥門定位器（特別是電П型）不適合配套，而應當采用電氣轉換器的問題。
5、結論
一種思路是防止二相流體的發生，道理上是無可非議的。但是，二相流的來湖泊有二個卻只注意了一個。因此，想從根本上解決問題卻根本解決不了問題；另一種思想是承認二相流發生不可避免，然后利用流體的特點，采取措施，避免二相流的后果。其效果相當明顯。
放氨閥的使用壽命大幅度的延長是基于對損毀原因的正確診斷而達到的。采取的設防措施是綜合性的，比較完備的，因而能夠達到好的效果。
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