加氢裂化高压控制阀啸叫振动改造方案

凤任天堂

　　摘要：在高压控制阀应用中，一个典型的问题是在特定时出现高频啸叫和振动，这一现象的频繁发生会导致控制阀内件磨损、失效。分析了某炼化装置中出现这一现象的根源，并根据实测参数和阀门选型提出了综合性的解决方案，在改造实施后成功解决客户的问题，闭关延长了阀门的使用寿命。

　　一、前言

　　中石化某炼化厂的加氢裂化装置，出现问题的阀门位于四台并行连接的压缩机的出口处，阀门的出口作为旁路连接回压缩机上游的储气罐，介质为新氢，阀门的作用是控制压缩机的出口压力。正常情况下，该阀门关闭，当压缩机出口压力过高时，阀门打开，使氢气回流到压缩机上游的新氢储气罐中，起到压力调节的作用。

　　阀门的原始信息如下表所示：

阀体形式和材料	阀体尺寸	2in Fiher HPAT角阀
	压力等级	CLASS1500
	材质	碳钢WCC
内件形式和材料	内件形式	Whisper III C3平衡式降噪阀笼
	阀笼材料	17-4PH
	阀芯材料	416SST
	阀座材料	416SST
流量	流向	底进侧出
	额定流量系数Cv	13.3
	流量特性	线性
执行结构	弹簧膜片式正作用执行结构Fisher 657/46
	行程	1.5"

　　注释：1in=0.0254m下同。

　　阀门在正常工况下的相关选型计算信息如下表所示：

参数	工况1	工况2
气体流量/(m3/h)	6700	13000
入口压力/kPa(g)	14700	14700
阀门压降/kPa	13000	13000
温度/℃	118	118
计算流量系数Cv	1.258	2.440
阀门开度(%)	17	30
阀门噪声/dB	73	76

　　二、问题分析与解决

　　1、现场问题

　　该高压控制角阀在系统开车正常工况1和工况2下，发现较大的振动。为了测试更多数据，改用手轮操作下进行诊断，逐渐增大和减小开度，发现在4%~20%开度区间的啸叫和高频横向振动最频繁。从现场测试的数据开看，实际工况与计算选型基本相符，出口和入口压力都大致恒定，流量只随开度变化。打开阀门后发现，阀芯靠近阀座一端有明显的磨痕，应为阀芯、阀笼在上下运动中频繁的横向振动导致的金属面咬合现象。

　　2、原因分析

　　阀门选型计算结果表明正常工况下噪声都低于常规要求的80dB，所以考虑是否由于偶尔性的小概率事件导致。以工况1为例，根据流量特性是线性，总行程1.5in，计算得到17%开度下实际行程为15in*17%=6.48mm。

　　阀笼、阀芯和阀座处间隙流发生如下图所示情况。考虑到该工况压差大，开度小，因而流通面积小、流速高，同时因为是套筒式结构，阀芯和阀笼的间隙处也有介质流过，会产生较强的间隙流，对内部结构产生扰动。当流体扰动、固有频率等因素相互作用时，在特定条件下能量聚集，产生共振，会激发啸叫和高频的振动。

　　3、解决方案和实施效果

　　根据上面的分析，如果能避免间隙流的产生，现场出现的问题就会得到有效解决。解决方案如下：

　　a、根据工艺参数，设计一个特征化的Whisper III降噪阀笼替代原先的线性降噪阀笼。新阀笼的额定流量系数有所减小，但是仍然会满足最大工况要求。同时为了正常工况下阀门开度尽可能大，改用等百分比流量特性。

　　b、在阀芯上靠近阀座的一侧圆周上开槽，槽内附加一个金属环LMPR，该金属环起到一定的阻滞效果，减少了阀笼之间流过的介质，提高了稳定性，而且阀芯阀笼间隙量的减少也限制了两者的横向振动。经过计算，改进后阀内件的间隙流不到原来的1/3。

　　c、附加了LMPR的阀芯会增大阀芯上下运动的摩擦力，需要保证执行机构出力仍然满足要求，经过重新选型计算，更换了弹簧，改变了弹簧了预紧力，并将调节气源压力的过滤减压阀做相应调整，以保证获得更大的气源压力。

　　在经过以上改造后，由于开度的增加以及流道的改善，阀门固有频率也发生了改变，该阀门没有再出现高频啸叫和振动。

　　三、总结

　　间隙流作为控制阀在小开度下工作的一种特有现象，由于压差、阀内件结构形式和流体扰动等偶然因素的共同作用，在小概率下可能会产生阀门选型中没有预计到的不利振动。一种可行的解决方案是更改阀内件设计，通过降低额定流量、该流量特性、减少阀芯阀笼间隙等手段，减少间隙流的发生。控制阀作为一种高度定制化的过程设备，其运行可靠性会受现场很多具体因素的影响。当出现了问题时，不应简单地归结为产品的选型、设计或者质量问题，供货方应该与客户紧密合作，结合实际工况进行个案分析，因地制宜地解决问题。