高压调节阀的失效机理分析和管路改造仿真设计

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1、学兔兔www.xuetutu.com第1期一9．高压调节阀的失效机理分析和管路改造仿真设计范华兵，王和慧，于莉，周金水(1．宝钢化工有限公司，上海200942)(2．华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237)【摘要]对希罗装置高压调节阀的失效机理分析为气蚀，结合实际工况，提出了管路压降优化设计方案，增设迷宫式限流孔板组，分担调节阀部分压力降，降低调节阀气蚀程度，延长使用寿命。利用CFD软件F1uent，采用Ji}一湍流模型和Simplcc算法，计算出孔板组内流场的压力分布，在ANSYS有限元软件中进行了应力分析和强度评定，获得了经济安全的设计方案。希罗装置是焦炉煤气塔希脱硫法的一部

2、分，装置，管路布置如图1所示。在LCV-2203入口侧压其作用是将NHCNS、(NH3)：S：O等低价硫的化合力为75bar，经过LCV-2203后，压力降~1]4bar，物进行湿式氧化，转化成稳定的(NH)SO。含低再经过①8．729的限流孔板后，在压力表处读到的价硫化合物的原料液经压缩机加压和加热器加热压力约0．4bar。如果忽略管路中的弯头、管道等处后送入反应塔，在塔内发生反应，排出高温高压压力损失，可以认为：LCV-2203调节阀起到最主反应液，经冷却器E．2203冷却处理后，再经减压要的降压限流作用，承担压力降71bar；而限流孔调节阀LCV-2203和单限流孔板降压，最终到硫铵

3、板起到次要的降压作用，压力降为3．6bar。取样槽图1希罗管路布置简图希罗装置的反应塔、换热器、调节阀和切断阀等关键设备均使用耐蚀性高的钛材。但近年来希罗装置中有5套钛制减压调节阀LCV-2203阀芯均发生腐蚀失效甚至断裂，使该装置的生产效益受到严重影响。图2为一台损坏的调节阀LCV-2203阀芯和阀座的外观图及内部结构图。调节阀有4级串联的减压构件，流体介质从阀座中部的4个孔流入，经过4级节流减压后，从导向环上的孔流出。图2失效的阀芯和阀座外观及内部结构图1调节阀失效机理分析作者简介：范华兵(1973一)，男，I~JI1人，工程师，从事化工机械设备研究。学兔兔www.xuetutu.co

4、m10一●论文广场石20油12和年化第工设备．15卷调节阀的关键部件是阀芯和阀座，如果其陷，因此最先发生断裂，如图3所示。导向环脱接液表面受到损坏，调节特性和功能就会受到影落导致阀芯的摇摆振动是阀芯断裂失效的直接原响。阀座和导向环通过螺纹连接，螺纹因受到腐因，但不是根本原因。如果仅考虑腐蚀作用，则蚀而变小，导向环与阀座的连接产生松动，同时希罗管路各处的腐蚀速率应当是均匀的。但事实由于导向环受到流体向下冲击作用从阀座脱落，上总是调节阀内部表面腐蚀失效最快，可见，调阀杆下部失去了“导向”约束，而液体介质在阀节阀内存在加速腐蚀的根本因素。经文献调研El,2】内部的流动是激烈的湍流，使阀芯产生左右

5、摇摆和现场考察发现，根本原因是由于调节阀承担了的剧烈振动，振动过程中阀芯所受的弯矩在第一巨大压力降而导致了严重的气蚀现象，气蚀冲刷环处最大，同时，该处因腐蚀已形成环状几何缺加速表面腐蚀，导致调节功能失效。介质阀芯导向环图3导向环脱落导致阀芯的摇摆振动示意图气蚀的发生机理如图4所示，流体在介质流向-i流经调节阀的缩流处时，流束变细收缩，流束的最小横断面出现在实际缩流处的下Pl游(图4竖直虚线所示)，在缩流最小断面鹾力处，流速达到最大，流速增加伴随着压力下降，当静压力低于该温度下液体的饱和蒸汽压力Pv时，液态介质变成气态介质，管道缩流处：产生汽泡，形成气液两相流。在下游随着Il流束的扩展，速度

6、下降，压力恢复增加。若压力恢复到饱和蒸汽压Pv以上(图4虚曲线)，汽泡就会破裂或向内爆炸，从而产生气蚀现象；若压力回升后仍然低于饱和蒸汽压Pv(图4实曲线)，则汽泡将在阀门的下游持续不断大量产生，这就造成闪蒸现象[21。气蚀的危害主要是汽泡本身瞬间破裂图4气蚀与闪蒸的机理示意图时产生的冲击力，以及汽泡破裂后所形成的高速射流所产生的巨大冲击力，对金属表面产发展到稳定时，阀内发出嘎嘎的声音，就象有碎生极强的冲蚀作用。如果大量汽泡在阀门内某处石流过调节阀时发出的声响；同时在受冲刷表面金属表面破裂，释放的能量会慢慢地撕裂表面材留下肉眼可见的煤渣面。根据对调节阀LCV-2203料，留下类似于煤渣的粗

7、糙表面。工程判断方法的现场考察和总结的失效情况判定，其内部发生是：当气蚀开始时会先发出一种嘶嘶声，当气蚀了严重的气蚀现象。气蚀作用的后果是加速材质学兔兔www.xuetutu.com第1期范华兵等高压调节阀的失效机理分析和管路改造仿真设计一JJ腐蚀，并产生剧烈的振动与噪音，使得调节阀的希罗装置的原限流孔板为孔径8．279mm的单使用寿命大大缩短，工作可靠性很快下降。因孔板，只起到很小的降压作用。现借鉴迷宫密封此，要从根本