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苯乙烯装置乙苯调节阀汽蚀的原因及处理意见

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发表于 2018-3-26 14:07:36 |只看该作者 |倒序浏览

摘 要: 广州石油化工总厂乙烯厂苯乙烯装置流量调节阀FV-1121在短时间的运行期间,反复出现阀芯、阀座、阀杆损坏现象。通过对调节阀损坏现象、工艺条件进行分析,并核算调节阀选型计算资料,确认是汽蚀所致。根据实际情况,提出了用加限流孔板的方法来解决此问题。

广州石油化工总厂乙烯厂(原广州乙烯股份公司)苯乙烯装置是引进美国BAGER公司技术的现代化苯乙烯装置。1997年8月投料试车期间,工艺反映 FV-1121量提不上去。运行约170h,由于阀芯脱落,进行解体,检查发现阀芯、阀座、阀秆均损坏十分严重,更换备件后,运行不到100h,发现同样损坏现象,以至系统无法投用,装置生产无法稳定。为了解决这个问题,对调节阀损坏情况、工艺条件进行分析,并核算调节阀选型计算资料,确认是汽蚀所致。我们根据实际情况,采用加限流孔板降低阀前后差压,升高阀后压力的方案进行系统改造。改造后,效果十分明显,复产投料半年多,未发现任何问题。本文就FV-1121调节阀的汽蚀与处理分析总结,抛砖引玉,供设计运行借鉴。

    1 FV-1121调节阀工艺条件及选型设计

    1.1 流程简介

    工艺流程如图1所示。FV-1121是乙苯流量调节阀,MS-201是乙苯回收塔顶罐,罐内分成汽相和液相,主要是乙苯的蒸汽。分离出来的液体从出口管线接去PP-103A/S反应进料泵,回流由流量控制,反应进料泵的流量控制由TT-102的液位控制器设定。

    1.2 工艺(设计)条件

    介质:乙苯液,密度:879kg/m3;
    流量:最大27.1m3/h,正常24.6m3/h,最小12.3m3/h;
    上游工作压力:2323kPa;
    下游工作压力:最大1243kPa,正常1230kPa,最小1167kPa;
    操作温度:185℃;
    腐蚀性:无;
    粘度:9×10-4Pa·s;
    设计计算:CV=7.869。

    BAGER公司选用的NELES 公司的G130JHC32EBQBJ型2寸柱塞单座阀。实际CV=31。阀体材质为WCB(碳钢),阀内件构质均为17-4PH(高强度合金钢)。从调节阀的CV选择,材质来看,是无可非议的。

    2 损坏原因分析

    2.1 损坏现象

    FV-1121调节阀二次损坏情况如图2所示,损坏部分包括阀芯、阀座、阀杆。从图中可以看出,阀芯靠下就损坏十分严重,使阀芯成“蘑菇状”,损坏表面光洁、均匀,似乎在车床高速切削而成。阀座损坏也十分严重,阀座上侧,损坏成120度,损坏表面十分粗糟。调节阀内件材料为17-4PH高强度合金钢,强度是比较好的,乙苯液无腐蚀性,从调节阀的损坏速度、部件及程度来看,只能用汽蚀解释。

    2.2 “汽蚀”产生的原因

    众所周知,当流体流过节流的截面时,流体为了保持相对的稳定,根据怕努力方程,在节流截面的上游侧,压力变小,流速增大,到静压缩口点,流速最大,压力最小,在下游侧,液体越远离此截面,则流速相对减少,压力相应增加,但下游压力不会等于上游压力。这个压差是流体流过节流截面时损失的能量。在静压缩口点,如果流体静压小于流体蒸汽压力(p1<pv)时,流体产生汽化。当下游压力又大于蒸汽压力(p2>pv)时,则会产生“汽蚀”现象。因为当压力等于蒸汽压力时,流体开始产生汽泡,随着压力下降,汽泡越来越多,而当压力上升,大于等于蒸汽压力时,汽泡破裂,释放大量能量,产生极大的冲击力,此冲击力高达数百兆帕,从而对接触面产生极大的冲击力。如果这个节流截面是调节阀,则在流体出口侧阀芯、阀座受到冲击、磨损,此冲击力通过阀芯传到阀秆,造成丝扣损坏、磨光。由于在调节阀内产生了大量汽泡,所以原设计计算的CV值不能满足工艺所需的流通能力。难怪乎工艺认为该调节阀选型过小,致使以后在全开时也满足不了流量的需要。

    2.3 调节阀“汽蚀”的条件计算

    为了进一步确定“汽蚀”,我们对调节阀“汽蚀”条件进行核算。产生“汽蚀”的条件是:Δp>ΔpT,且p2>pv。

        (1)

    式中 Δp--调节阀入口与出口差压;
         ΔpT--调节阀(考虑汽蚀)允许最大的差压;
         pc--临界压力;
         pv--蒸汽压力。

    常数FL取决于调节阀型号,由于FV-1121是选用气开、柱塞式调节阀,查表可知FL=0.9,根据设计条件与计算,在各种工况条件下调节阀开度,阀前后压力如表1所列。

表1 调节阀技术数据

变量
最大流量时
正常流量时
最小流量时
qv/(m3·h-1)
27.1
24.6
12.3
p1/kPa
2323
2323
2323
p2/kPa
1243
1230
1167
Δp/kPa
1080
1093
1156
pv/kPa
1151
1151
1151
T/℃
185
185
185
ΔpT/kPa
1160
1160
1160

    注:临界压力pc=4895kPa

    从表1中可见,Δp≈ΔpT,p2≈pv阀处于发生汽蚀的临界状态,说明工艺条件平稳时,不会发生汽蚀,若工艺条件发生波动,就有可能发生汽蚀。

    理论计算进一步确认,FV-1121损坏的原因就是“汽蚀”。

    3 解决“汽蚀”方案选择

    根据“汽蚀”产生的原因及其影响,解决汽蚀的办法有四种:

    1)改用抗汽蚀型HSC套筒单座调节阀。
    2)串联两台调节阀,由两台调节阀分摊差压,减少阀芯、阀座的差压。
    3)调节阀串联限流孔板,由此分压,同样可以减少阀前后差压。
    4)选用高强度、高耐磨构质的阀芯、阀座。

    根据实际情况我们认为:

    1)所选用调节阀的CV值比计算CV值要大得多,调节阀余量较大。
    2)工艺条件尚有很多不确定因素,选用抗“汽蚀”调节阀或串联调节阀,条件不明确,盲目性较大。
    3)从经济性、灵活性考虑。

    基于以上考虑,我们选用限流孔板降低压力差方案考虑到防止“汽蚀”,先要防止汽化,将限流孔板装于阀后,把整个调节阀下游压力提高,这更为有利。

    4 限流孔板计算

    4.1 限流孔板计算条件的确定

    考虑原则:通过限流孔板分摊压力后,使调节阀各工况的开度仍在通常的范围内--20%~85%。调节阀FV-1121流量特性为等百分比,根据调节阀开度公式

        (2)

    式中qv--流量,m3/h;
    Δp--调节阀前后压差,MPa;
    dρ--介质相对[质量]密度,即0.879;
    C--调节阀流通能力(FV-1121 C=31/1.17)。

    设qvmax=27.1m3/h时,调节阀开度为85%;
    因为设计条件所给p1,p2为实际阀前后压力,取S=1;
    则调节阀对应差压Δp=0.28MPa=280kPa;
    原设计差压中,扣除调节阀差压,即为限流孔板分摊的差压,即1080-280=800kPa。

    4.2 限流孔板设计

    根据经验公式d=1.049
    式中qv--流量,即27.1×879kg/h;
    δp--孔板前后压降(永久性压力损失),即800kPa;
    ρ--介质密度,879kg/m3。
    带入计算,得d=18mm

    4.3 核算

    1)带入经验公式,加限流孔板后,各工况条件下永久性压降δp

    qvmax=27.1m3/h  δp=800kPa
    qvnor=24.6m3/h  δp=614kPa
    qvmin=12.3m3/h  δp=153kPa

    2)加限流孔板后调节阀上下游压力差Δp″及下游压力p2″见表2。

    不难看出,加限流孔板后,在各工况条件下,均有Δp″<<ΔpT  p2″>>pv
    理论上,加限流孔板,有效的克服了“汽蚀”的产生。

    4.4 考核

    FV-1121调节阀加限流孔板改造是1999年7月乙烯复产抢修时实施的,工程费用200元,限流孔板装在调节阀下游前法兰上。10月份复产开车时投用,效果明显,系统工作稳定,调节阀流量正常,运行半年多,未发现汽蚀现象,FV-1121控制基本平稳。

表2 加限流孔板后调节阀的技术数据

变量
qvmax时
qvnor时
qvmin时
Δp/kPa
1080
1093
1156
δp/kPa
800
614
153
Δp″/kPa
280
479
1003
p2/kPa
1243
1230
1167
p2″/kPa
2043
1844
1320
pv/kPa
1151
1151
1151
ΔpT/kPa
1160
1160
1160

    5 结论

    通过对苯乙烯装置乙苯调节阀FV-1121汽蚀的分析及处理,有以下几点体会:

    1)调节阀汽蚀现象易发生在调节阀前后压差较大,且调节阀工作压力比较接近蒸汽压力pv的情况。
    2)汽蚀对调节阀破坏很大,数天内就可以使调节阀阀芯,阀座损坏而无法修复。
    3)在一定条件下,加限流孔板是解决汽蚀的最简单、最经济的办法,特别在工艺条件不确切情况下。
    4)采用限流孔板解决汽蚀的计算程序。

    a)根据调节阀开度,确定限流孔板的压力降。
    b)根据压力降,计算限流孔板的口径。
    c)复算各工况条件下阀的开度是否达到产生汽蚀的条件。

    5)限流孔板分摊的压力降,与流量平方成正比,选用时应当特别注意。

    参考文献:

    [1] 李福宁.气动单元组合仪表[M].北京:机械工业出版,1982.130
    [2] 施俊良.调节阀的选择[M].北京:中国建筑工业出版,1986.197
    [3] GB/T2624-93,流量测量节流装置用孔板喷嘴和文丘里管测量充满软管的流体测量[S].


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