1、概述

    1.1 原理

      重庆建峰化肥有限公司化肥厂是一个年产300KT合成氨/520KT尿素的大型天然气化肥装置。在系统自动控制中，有许多调节阀在发挥着重要的作用。在这些调节阀中，套筒式调节阀占有比例达60%以上。套筒式调节阀的工作原理见图一：介质进入阀腔内，在关闭的时候，有部分流体通过阀芯上部的平衡孔产生压力和阀芯下部的介质产生的压力平衡，也就是使阀芯所受的不平衡力相互抵消，所以对阀芯上开有平衡孔的套筒式阀又称为压力平衡式阀。它具有流量大、许用压差高、防堵塞等优点，但在大口径（DN150mm以上）时普遍存在泄漏量大的缺点。泄漏量大在一定程度上造成系统消耗高、调节品质差，系统稳定性下降、环境污染等问题。

      1.2 阶段故障统计

      表一是我厂仅从2002年8月到2003年1月对套筒阀内漏的统计。其中9月我们还对系统进行了设备大修。

表一 2002年8月~2003年1月套筒阀内漏统计

      通过长期的统计调查，我们发现套筒式调节阀内漏对系统的影响相当大，特别是在原材料价格上涨，市场竞争激烈，产品价格下滑的今天。因此，节能降耗，提高系统运行的效能，维持系统稳定是我们控制成本的一个有效的手段。

      2、原因分析及常规处理

      2.1检修后阀没有完全关闭

      这种情况比较常见，我们统计的数据，这种故障所占比例高达21%。比如我厂的工艺空气流量调节阀100FV105，在2002年11月6日大修后开车时工艺反映内漏较大，如果不进行处理，可能会造成二段炉R1催化剂氧化，严重的会导致二段炉内形成爆炸性混合气体而引发重大事故。后经过调整阀杆后内漏基本消除。这是因为全关后阀芯没有接触到阀座，也就是阀没有关到位，或者说行程不够。有的调节阀，在检修后连接执行机构的推杆和阀杆时，没有按要求连接，造成表面上推杆走完全行程，实际阀芯没有关到位的故障。这种情况的处理只需要重新按要求连接推杆和阀杆就可以了。正确的连接应当是推杆走完全行程，阀芯必须全开全关到位。对于哈佛块夹持式连接的，不论调节阀是气关还是气开，通常的做法都是将阀芯压到全关的位置，然后对执行机构气室加信号后连接（气关的加到弹簧范围上限，气开的加到下限。比如一个20~100kPa的弹簧范围的薄膜式执行机机，气关的加信号到100kPa，气开的加信号到20kPa）。对于螺纹旋入式连接的，可以在阀杆工作标记，或采用其它方式。总之，要求在弹簧范围的上限或下限的连接后阀芯刚好能全关到位。

      阀没有关到位会产生内漏，而阀没有紧密关闭也可能会引起内漏，没有紧密关闭是指阀芯和阀座刚好接触但没有压紧力，原因大多是因为执行机构有效输出力不够。对于气关式的调节阀。如果气源没有达到额定值，有的气源值甚至达不到弹簧范围上限，例如我们在某厂检修到的一台高压蒸汽压力控制阀100PV172，其弹簧范围是70~190Kpa，而调节阀的气源却只有180Kpa，这样即使给全关的信号，气源还不能完全压缩弹簧，执行机构推杆不能走完全行程，也就不可能使阀全关。在我们没有检修之前，工艺反映该阀内漏严重，高压蒸汽产量不够，压力较低。检修后这种现象基本上消失了。

      我们知道，在无负荷条件下，执行机构输出力计算公式为F=P₀·Ae（P₀为加载的信号气压，Ae为膜片有效面积）。在膜片面积一定的条件下，加载的信号气压越大，输出力就越大。而正常运行中，我们需要阀全关时，有效的输出力，如果以上式来计算是不行的，因为上式忽略了执行机构里弹簧的反作用力。那么，阀全关时，有效的输出力就应该是：气开阀F₀=Pr₀· Ae（Pr₀为弹簧范围低值）；气关阀F₁=（P₀－Pr₁）· Ae（Pr₁为弹簧范围高值）。执行机构的有效输出力就需要在克服介质的不平衡力、填料的摩擦力后，产生一个余力压紧阀芯。所以调节阀的气源必须达到额定值，调节阀的有效输出力才足够大，才能够把阀芯压死在阀座上而不会内漏，所以必要时可以适当提高气源值。而对于气开阀，就要考虑预紧力的问题，所谓预紧力，其实也是有效输出力，从F₀=Pr₀·Ae可以看出，预紧力实际上是弹簧产生的输出力，这个力过小，就不能克服介质的不平衡力，介质就会顶开阀芯造成泄漏。因此气开阀内漏，可以检查弹簧的预紧力，预紧力过小的，应当适当增加预紧力以消除泄漏，增加预紧力，就是提高弹簧范围的低值，也可以理解为提高弹簧的预压缩量。

      另外阀内件卡涩而使调节阀不能动作也容易引起内漏。我厂锅炉给水阀100FV206，在2002年大修后开车不久，发现该阀泄漏较大，现场检查阀芯被卡住，现场15%开度，总控全关，联系总控打开至30%后该阀才有反应，后反复动作，恢复正常。对于阀内件卡涩的，如果是因为有异物，在工艺运行允许的象件下，可以反复动作或开大阀位使异物冲走。不能冲走的或因为阀内件配合间隙过小，则需要解体处理阀内件了。

      其它附件限位，比如手轮没有回到自动的位置，或其它的机械限位装置限位；还有阀门定位器没有调整好；升压器增益调整不当，使输入信号在全关的时候，定位器或升压器输出没有达到额定值，都可能导致阀不能完全关闭，引起内漏。对于手轮或其它机械限位的，需要取消限位，使调节阀能全行程自动调节；而定位器和升压器的调整，必须按要求调整到达标。比如定位器的调整，对于正作用定位器配气关阀，当定位器的输入信号为*小值时（通常的气信号为20kPa，电信号为4mA），定位器的输出应当为零；在输入信号为值时（一般的气信号为100kPa，电信号为20mA），定位器的输出就应当达到气源值。对于气关阀，要使阀完全关闭，必须是定位器的输出达到（也就是达到定位器的气源值）。

      2.2 调节阀阀内件损伤或损坏

      阀内件损伤或损坏也是调节阀内漏的王要原因，有80%以上的内漏基本上都是这个原因。对于套筒阀而言，它的密封点有两个，一个是阀芯与阀座的密封面，另一个是导向密封环。不论哪一个密封点有损坏，都会造成阀的内漏。从我厂多年的检修结果来，内漏一般是阀芯或阀座密封面损伤。这种故障是*常见的，引起故障的因素很多，一是由于工艺管道、容器检修、焊接等原因使一些杂质、焊渣进入到调节阀中，在调节阀关闭的时候，杂质卡在阀芯和阀座之间，造成阀芯或阀座密封面损伤，从而导致调节阀的内漏。例如我厂高温变换炉后端放空阀100PV117，其工艺介质参数如表二：

表二 100pV117工艺介质参数

      有一道直径1mm的压痕损伤，根据△P=KR（T+460）（W/60）²/2gρA²（A为压痕面积，mm²）可得：

      已知T=230℃，△P=2.91MPa，ρ＝0.75Kg/M³，则W=153M³/h

      即1mm直径的密封面压痕损伤每小时漏量可以达到150M³。通过基本化学反应公式：3H₂+N₂+CO₂=CO（CH₂）2+H₂0得知：每小时泄漏的工艺气，以组分含量*少的H₂为基准，可以初步计算出泄漏的工艺气折合为的尿素是1.3t/d，损耗相当大。那么，防止这种情况发生的办法是先对管道进行吹扫，当吹扫到一定程度后再关闭调节阀，这样可以在一定程度上减少或避免杂质对调节阀密封面的损伤。

      阀芯阀座密封面损伤的另一个原因是由于介质对阀芯、阀座的冲蚀等原因，特别是当调节阀长期处于小开度运行而在某一时段需要关闭的，更容易出现这种故障。因此，从这个角度我们建议调节阀尽量不要在小开度长期运行，特别是高压差的工况环境。对于密封面已经损伤的，就需要解体处理密封面。在处理密封面时必须注意保证同心度和不圆度在允许的范围之内。但是，处理密封面，需要对密封面进行光刀，在多次光刀后，会将原先堆焊在密封面上的硬质合金层车削掉，使密封面的抗冲刷腐蚀性急剧下降，导致密封面在很短的时间内就损坏了。这时候就应当更换阀内件。需要说明的是，更换阀内件建议成套更换，不推荐单件更换。原因很简单，单件的阀内件在公差配合上不一定能达到要求，特别是运行了一段时间的阀内件更不能保证。

      其次导向密封环损坏也是比较常见的一种故障。一般的密封导向环都有两个作用，一是导向，二是密封。由于密封环在导向作用时与阀笼摩擦，多次动作就会导致密封环的损伤，也就起不了密封的作用。因为套筒阀结构的需要。密封环的问题尚难以彻底解诀，目前做得比较好的密封环是Fisher的一种有技术的导向环，如图2所示：其独特的结构比常规的密封环寿命长几倍。例如我厂的中压蒸汽压力控制阀100PV180，虽然对系统负荷没有太大的影响，但每小时泄漏一吨中压蒸汽，会造成系统能耗增加，产品成本上升。所以原装的阀几乎每年都更换密封环，但是也没有解决问题，现在更换的Fisher的产品，已经运行了三年，泄漏量仍然非常小，从根本上解决了内漏的问题。不过这种密封环的缺点是普通的机加加工比较困难，所以通常的做法是更换新的密封环。

      2.3 结构不合理

      前面讲了，套筒阀一般是两个封点，而有的厂家在研制的过程中，尝试在套筒上增加一个阀座，如图3所示：当阀全关时，阀芯阀座为一个密封，套筒上的一个阀座为一个密封，在一定条件下，这种做法相对于密封环来说可以提高密封效果。但是如果加工精度不够或材质选用不当时，泄漏量反而会增大。因为此类阀要么在阀芯下密封点和阀座接触的时候，阀芯上密封点可能没有接触到阀笼阀座，那么它的密封效果是不能达到要求的，或阀芯上密封点接触到阀笼阀座时，阀芯下密封点和阀座可能没有接触到，那么它的密封效果也是不能达到要求的。所以对于泄漏等级要求比较高的场合，还是推荐使用带密封导向环的套筒阀。例如我厂脱碳系统C0₂吸收塔100T₁液位控制阀100LV114A，原使用的双座式调节阀，因为内漏较大，使脱碳水力透平100PE6A作功减少，系统能耗增加，而且100T₁的液位不好控制，改为带密封环的套筒阀后，此现象基本消除。

      另外一种是才推出不久的叫做先导式套筒调节阀，其原理这里不再敷诉。由于它在原有的两个密封点基础上增加了一个密封点，而实质并没有较大的改变，仅仅是提高了阀在开关过程中的平稳性，同样不适用泄漏等级要求高的地方。所以在对套筒式调节阀进行计算选型的时候，除非在泄漏等级方面没有太高的要求，否则，我们仍然推荐选用带导向密封环的套筒阀。

      结束语

      在多年的检修处理过程中，我们基本掌握了套筒式调节阀内漏的原因，经过长期的实践，摸索总结出一些常规的处理方法，为大化肥的稳定生产、节能降耗作出了努力。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司