高温高压蒸汽工况下自控阀常见问题分析及 滑板阀在蒸汽工况下成功运用案例

高温高压蒸汽工况下自控阀常见问题分析及

滑板阀在蒸汽工况下成功运用案例

 

在电力、石油、化工等行业的高温蒸汽系统中，高温蒸汽自控阀是用于调节压力、流量、切断流体、改变流向的执行器，高温蒸汽调节与控制一直是自动控制实际执行中的难点，尤其在高温和超 高温条件下的切断难度更大。这点在材料因高温膨胀而产生卡阻和内漏上有明显体现。因此，高温和超 高温的控制始终是国内外研究工作长期的工作重 点。在工业流体调节系统中，阀是必不可少的重要设备，是自动控制系统中重要的开关控制元件。

就目前国内来说，高温高压蒸汽自控阀通常采用平衡笼式套筒阀或者采用多级降压的阀门结构。虽然平衡笼式套筒阀和多级降压的阀门能够解决高压差下阀门调节稳定性差的问题，但是也往往存在以下难以解决的问题。

 

1、内漏和阀门启闭卡阻问题

因高温蒸汽工况下使用的阀门工作温度高，高达250℃以上，更高的可达500℃，已经达到或超过材料的耐温上限值。阀内件材料在高温下产生不均匀/不对称变形，造成阀门关闭不严（内漏）或影响阀门正常动作（卡阻）的情况。如下图一所示，为典型的平衡笼式套筒阀的内部结构。

分析内漏其内漏的原因，主要是平衡笼式套筒阀或多级降压阀采用的线密封结构，阀芯与阀座在执行器输出力的作用下使材料产生弹性变形，形成一条宽度仅有20～30丝左右的密封线，进而实现阀门密封。当阀座或阀芯在高温下产生不均匀/不对称变形时，阀座与阀芯的接触线可能在几何结构尺寸上产生偏离，造成密封线贴合不严，最 终导致阀门泄漏。

阀门启闭卡阻的原因主要是因为阀芯与套筒在高温下，材料产生不均匀、不对称、膨胀量不一致或则阀芯与套筒的结构预留间隙过小等，使阀芯与套筒产生机械硬接触，套筒柱体内表面或阀芯柱体外表面损伤，进而阻碍阀芯动作的情况。

 

图一

 

2、阀门高频尖叫、震动问题

如下图二所示，为我公司采用SolidWorks Flow Simulation流体仿真模拟软件，模拟介质在平衡笼式套筒阀内部的压力分布情况。从图中可知，阀芯左侧的压力远高于阀芯右侧的压力。换句话说，就是阀芯受到了介质流向（管道内的介质流向）方向上的不平衡压差力。在阀门工作时，因介质的湍流扰动，会使这个不平衡压差力产生周期性的波动。当这个不平衡压差力大于阀杆所能承受的力矩时，阀芯会发生偏转，当平衡压差力小于阀杆所能承受的力矩时，阀芯回复。当压差力波动较大时，就会产生阀芯与套筒的结构撞击，最 终产生高频的尖叫和振动。

 

图二

 

3、阀芯旋转，阀杆断裂的问题

    如下图三所示，为我公司采用SolidWorks Flow Simulation流体仿真模拟软件，模拟介质在平衡笼式套筒阀内部的介质流动状态。

从分析结果可知，因平衡笼式套筒阀采用S型流道，介质流过节流断面时，在阀芯处产生旋转的涡流，又因阀芯左侧和右侧的介质流速不一致，造成介质在阀芯内腔内产生高速旋转流，进而带动阀芯旋转。当阀芯旋转力矩超过阀杆能够承受的扭力强度时，阀芯就会断裂。

 

 

4、阀门调节稳定性差的问题

造成调节稳定性差的原因，主要是因阀门出现卡阻、阀芯振动、旋转等问题叠加而成。阀门卡阻增 大了阀门启闭力，造成阀门小信号不动作，大信号动作过头的情况。阀芯振动造成节流面积波动，流量不稳定，造成阀位震荡。

 

一、滑板阀在高温高压蒸汽上的成功运用案例

如下图四所示，为我公司生产的高压、高温蒸汽滑板阀，安装在某公司电厂车间的高温蒸汽管道上。成功地解决了阀门卡阻、内漏和调节不稳定的问题。此阀因操作压力高、温度高的特点，某公司以前采购了国外知名品牌，采用套筒阀结构。该阀自投料生产以来，故障不断，多次发生卡阻，阀门内漏、调节不稳定等事故，经过多次维修仍未能从根上解决问题。此工况，自2017年采用我公司生产的滑板阀以后一直运行平稳且调节性能稳定。

 

图四

 

二、阀门工作参数如下：

       公称口径：5”

       公称压力：600LB

       工作温度：450℃

       阀前压力：4.1MPa

 

三、滑板阀成功解决高温高压蒸汽工况技术难题，归功于其结构设计：

①直通流通设计，介质不会产生涡流，介质流向与阀板运动方向垂直，阀板与阀座在介质压力下牢牢贴合，不仅消除了阀板旋转的结构因素，同时也消除阀门产生震荡的结构因素。如图五所示。

 

图五

 

②浮动式阀板设计，采用面密封结构设计，阀板、阀座在介质压力作用下，始终向一个方向均匀变形，消除了材料高温下不均匀/不对称变形的结构影响。

③阀板与阀座在启闭过程中，始终贴合，节流孔面积只能通过执行器输出力改变，阀位稳定，阀门调节性能好。

 

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