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惡劣工況下如何進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的選型設(shè)計(jì)
發(fā)布于：2019/10/8 8:59:36 點(diǎn)擊量：139
調(diào)節(jié)閥是生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中最常見的一種執(zhí)行器，在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用已遍及到各個行業(yè)，調(diào)節(jié)閥通過接收調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去控制流體的壓力或流量，在穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化控制、維護(hù)及檢修控制等方面都起著舉足輕重的作用。
由于海洋環(huán)境較陸地惡劣，介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)也千差萬別，因此選擇安全、適用、可靠、經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)閥，滿足工藝調(diào)節(jié)要求，提高控制水平，延長使用壽命，是設(shè)計(jì)人員最為關(guān)注的問題。
1 調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)及選型
選擇合適的調(diào)節(jié)閥，首先要確定工況條件。CFD18-1海洋平臺置換泵出口管道外徑及壁厚為4〃Sch160，調(diào)節(jié)閥流體為海水，閥入口壓力11500KPaA，出口壓力300KPaA，前后壓差較大，流量最大為80m3/h，設(shè)計(jì)溫度為39℃，下面介紹選型過程。
1.1 調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)
調(diào)節(jié)閥按照其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力源分類為氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥、液動調(diào)節(jié)閥和混合型調(diào)節(jié)閥四大類。根據(jù)對工況條件分析，閥前后壓差較大，要求閥座結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向性好，選擇閥門形式為直通平衡式導(dǎo)向閥。另一方面，CFD18-1海洋平臺無儀表氣，液壓控制效率較低，故選擇電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
1.2 調(diào)節(jié)閥的流量特性
流量特性指隨著開度從0%到100%變化時通過閥門的流量與閥門行程之間的關(guān)系。常用理想的流量特性主要有直線、等百分比、拋物線和快開四種。但拋物線流量特性與等百分比流量特性較為接近，前者可以用后者代替，而快開特性又主要用于位式控制和順序控制，因而流量特性的選擇一般局限于直線特性與等百分特性的選擇。在CFD18-1項(xiàng)目中，上游泵出口壓力基本為定值，下游壓力為300KPaA，壓差基本恒定，所以選擇線性特性的調(diào)節(jié)閥。
1.3 調(diào)節(jié)閥口徑的選定
口徑過小，會使調(diào)節(jié)閥不能通過工藝對象要求的最大流量，或使能耗增加；口徑過大，不僅使投資增加，而且使調(diào)節(jié)閥經(jīng)常在小開度條件下工作，可調(diào)比減小，調(diào)節(jié)性能變壞，容易造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。口徑的選擇和確定主要依據(jù)閥的流通能力CV。下面介紹以CFD18-1工況條件下，管道為4〃，使用Intools儀表軟件計(jì)算調(diào)節(jié)閥的CV值。將需要的工藝參數(shù)添加到軟件相應(yīng)的位置中，如圖1，計(jì)算結(jié)果如圖2。
由計(jì)算結(jié)果顯示，流體在閥體內(nèi)出現(xiàn)空化現(xiàn)象。下面介紹產(chǎn)生的機(jī)理。
圖3用來表示流體介質(zhì)流經(jīng)閥體內(nèi)部的壓力變化：P1閥的入口壓力；P2閥的出口壓力；Pv閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓；Pvc流體縮流斷面的壓力。
流體介質(zhì)通過閥體的時候，如圖3，Pvc大于Pv，液體不會引起沸騰的狀態(tài)；當(dāng)液體壓力小于入口溫度飽和蒸汽壓時，如圖4，液體開始沸騰，出現(xiàn)氣泡，當(dāng)液體介質(zhì)流經(jīng)閥座后下方下降的壓力，在下游一側(cè)逐漸回升，當(dāng)達(dá)到飽和蒸汽壓時，氣泡因再次受壓而破滅，氣泡在急劇破滅的過程中，向四周釋放能量，并沖擊閥體本身和管道內(nèi)壁，這就產(chǎn)生了以上計(jì)算的結(jié)果—“氣蝕”，即空化現(xiàn)象。
當(dāng)流體介質(zhì)流經(jīng)閥座后下降的壓力，在下游一側(cè)逐漸回升，如在下游沒有達(dá)到飽和蒸汽壓時，閥的出口就會出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，如圖5所示。調(diào)節(jié)閥的閥內(nèi)件直接與流體接觸，是氣蝕與閃蒸影響最為嚴(yán)重的地方。
針對CFD18-1項(xiàng)目出現(xiàn)的空化現(xiàn)象，噪音很高，已經(jīng)超出設(shè)計(jì)要求水平，這就要求在閥芯結(jié)構(gòu)和內(nèi)件上選擇滿足工況的類型。
a）選用套筒結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥，套筒四周開有不同形狀的窗口，采用平衡型的閥芯結(jié)構(gòu)，不平衡力小，穩(wěn)定性好，不易振蕩，允許壓
差范圍大，而且有降低噪聲的作用；
b）選用Fisher公司的Cavitrol Trim III內(nèi)件，如圖6，它采用二級對液體進(jìn)行分級降壓，特殊形狀的孔道和鉆孔技術(shù)使介質(zhì)壓力保持在汽化壓力之上防止氣蝕產(chǎn)生；
c）內(nèi)件采用S32550硬化材料制造，抗腐蝕性加強(qiáng)。
總之，要防止或降低閃蒸或氣蝕的破壞，總的原則可采用多級節(jié)流、調(diào)節(jié)閥選用優(yōu)質(zhì)材料、增加閥門縮流管道后的管道截面等措施。
綜合CV值，選擇調(diào)節(jié)閥體尺寸為2〃，經(jīng)fisher廠家計(jì)算在正常工作狀態(tài)下開度在55%-61%之間，滿足工藝和設(shè)計(jì)需要。
1.4 調(diào)節(jié)閥材質(zhì)的選擇
CFD18-1項(xiàng)目中調(diào)節(jié)閥的流體介質(zhì)為海水，不能使用常規(guī)的碳鋼或者316不銹鋼，故選擇CD3MN雙向不銹鋼抵抗海水的腐蝕。
綜上所述，閥門的選型過程概括如下：
（1）確定工況條件：
a）P1、△P、Q、T1流體特性，允許噪聲等；
b）選擇閥體和閥內(nèi)件要求的合適的壓力等級；
（2）計(jì)算要求的初始CV值：
a）檢查噪音和氣蝕水平；
（3）選擇閥內(nèi)件類型：
a）若沒有噪音或氣蝕提示，選擇標(biāo)準(zhǔn)閥內(nèi)件；
b）若噪音很高，選擇降噪閥內(nèi)件；
（4）選擇閥體閥內(nèi)件尺寸：
a）根據(jù)要求的CV值，選擇閥體和閥內(nèi)件尺寸；
（5）選擇閥內(nèi)件材料：
a）為應(yīng)用場合而選擇閥內(nèi)件材料，確保所選閥內(nèi)件在用于所選閥門口徑的閥內(nèi)件組別里找到；
（6）附加項(xiàng)選擇：
a）閥桿填料，閥門定位器等可選項(xiàng)。
2 其他惡劣條件下調(diào)節(jié)閥的選擇原則
2.1 高溫條件
（1）采用具有高溫強(qiáng)度的殼體材料和內(nèi)件材料，所用材料不能因高溫作用而粘結(jié)、塑變，溫度極高時，適用的閥形有節(jié)流閥、蝶閥。
（2）閥體材料可考慮帶有散熱片、閥內(nèi)件采用熱硬性材料。對于工作溫度高于450°F（232℃）的調(diào)節(jié)閥，使用半金屬或彈性層壓石墨填料，纏繞不銹鋼和彈性石墨的墊片；對溫度高于1000°F（538℃）的工況，閥體通常用鉻-鉬鋼鑄造；高于1500°F（816℃）的工況，選用ASTM A351等級CF8M，316型不銹鋼，其含碳量必須控制在0.04%-0.08%這個范圍的上限。
2.2 低溫條件
（1）在結(jié)構(gòu)上設(shè)置泄壓孔或者排氣孔，在閥門上設(shè)置引出管或安全閥，以排除異常高壓。
（2）冰霜會造成閥桿填料的撕裂，破壞密封，可使用伸長型閥蓋。
（3）針對低溫場合的閥門材料選擇通常是閥體和上閥蓋用CF8M，閥內(nèi)件用300系列不銹鋼。
2.3 大流通能力
（1）采用籠式結(jié)構(gòu)的閥體型式，超長的閥芯行程以及擴(kuò)展式出口管道連接口，降低大口徑閥門的噪音輸出。
（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)可選用長行程、雙作用氣缸式。
2.4 小流量控制
（1）在球形調(diào)節(jié)閥的閥芯上銑出小槽和V形槽，也可以得到很小的流量系數(shù)。
（2）可以采用長錐形結(jié)構(gòu)。可以根據(jù)需要挑選行程短、功率大、壓差大的小流量閥。
2.5 腐蝕和磨損條件
（1）選擇的閥體流道要光滑，流線形的閥體結(jié)構(gòu)能防止顆粒的直接撞擊，可避免渦流并減少磨損。
（2）在腐蝕的介質(zhì)條件下，選擇結(jié)構(gòu)簡單可以增加襯里的調(diào)節(jié)閥，可選用奧氏體不銹鋼或者雙相不銹鋼、特殊合金（蒙乃爾）的
單座、雙座調(diào)節(jié)閥，或選用隔膜閥、加襯蝶閥、球閥等類型。
（3）如果介質(zhì)是極強(qiáng)的有機(jī)酸或無機(jī)酸，則可以用全鈦調(diào)節(jié)閥。
2.6 粘性介質(zhì)
（1）對粘性高的液體，調(diào)節(jié)閥的流路越簡單越好。
（2）適用于粘性的介質(zhì)的調(diào)節(jié)閥有球閥、V形球閥、隔膜閥、帶導(dǎo)流孔的平板閘閥及偏轉(zhuǎn)閥。管夾閥的應(yīng)用雖然很有限，但用于粘度很大的泥漿液時性能卻很好。
（3）粘性介質(zhì)有凝固、快速結(jié)晶、結(jié)冰等危險(xiǎn)，在操作粘性介質(zhì)時，可以利用有保溫夾套的調(diào)節(jié)閥。
3 結(jié)論
調(diào)節(jié)閥的選型和應(yīng)用是一個專業(yè)性強(qiáng)、涉及技術(shù)領(lǐng)域廣的系統(tǒng)工作，其正確選擇主要是根據(jù)現(xiàn)場被控介質(zhì)的特點(diǎn)、控制要求、不平衡力校核、允許壓差、環(huán)境條件及調(diào)節(jié)閥本身的特性進(jìn)行選用。且選用的閥應(yīng)盡量簡單、可靠、價(jià)廉、壽命長、維護(hù)方便、備件有來源。選型應(yīng)用的過程是經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的累積，要在理論和實(shí)踐基礎(chǔ)上了解掌握調(diào)節(jié)閥的各種特點(diǎn)，做到滿足工藝要求和現(xiàn)場環(huán)境。
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