蛋氨酸生产闪蒸工况角型阀门的研制

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         案例简介：闪蒸工况下角型阀门的特点以及加工过程中能够提高加工精度所需注意的问题，这些特点以及加工注意事项能够较好的保证该类型角阀能够适应饲料级蛋氨酸生产中的闪蒸工况要求。
详细介绍
近年来，我国经济飞速发展，人民生活水平逐步提高，对肉、蛋、奶、皮毛的需求量也快速增长。我国的家禽养殖业、畜牧业发展势头良好，作为与养殖业和畜牧业息息相关的饲料业呈高速发展势头，随之带动饲料生产工业的发展。目前，作为家禽、牲畜重要营养补给的饲料级蛋氨酸的需求逐年增长，近几年蛋氨酸市场价格波动较大，但总体上仍呈涨势  [1]。饲料工业所需饲料级蛋氨酸几乎全部依靠进口，因此国内发展饲料级蛋氨酸工业化产业市场前景广阔。
目前，我国饲料工业所需饲料级蛋氨酸的生产量远远不能满足国内饲料工业迅速发展的需求，每年都需大量进口。饲料级蛋氨酸工业化过程中，关键流程工艺也逐步被国内企业所吸收消化，工业化生产饲料级蛋氨酸的“软件”(生产工艺)条件达到要求后，满足软件正常运行的“硬件”(工业装备)也要达到要求。“硬件”中主要涉及到自动化仪表，阀门设备等，这些设备国产化的发展状况很大程度决定了该项目的投入成本。与购买国外设备相比，更符合我国实际情况，投资大幅降低，经济效益也将大幅提高。
1 工况介绍
国内某化工厂蛋氨酸生产项目中有两处工艺管道需使用能够耐大压差、耐冲刷、抗闪蒸的阀门，具体使用工况参数：使用温度：100℃;介质：海因液体;阀前压力P1：1.5MPa;阀后压力P2：0.12MPa;压差ΔP：1.38MPa;流量Q：9.57m3/h;密度ρ1：1050Kg/  m3;液体压力恢复系数：FL = 0.85。
2 口径计算

式中：
pv = 1000kPa;
pc = 22 120 kPa。
下一步，确定流态：

阻塞流压差：

它小于压差(△p = 1380kPa)，因此，流态是阻塞流，流量系数C用式(3)计算：

Q=9.57m3/h
N1 = 1×10-1
ρ1/ρ0=1.05
流量系数C乘以修正系数得出计算Cv=3.89，确定的选型口径为DN40，由于介质中存在颗粒，并存在闪蒸现象，因此选用扩大出口管道的方式，经计算DN80出口尺寸时可以使闪蒸对阀门损伤效果减小且经济实惠。
3 降压级次确定
对于液体工况，当流体流经阀门最狭窄点(收缩断面)时，流速加快必然会导致压力降低，如果压力降至低于流体此时温度对应的饱和蒸汽压Pv时，开始有气泡生成.当流体流动到管道或下游的相对大面积截面时，压力会有一定程度的恢复，当压力恢复至高于饱和蒸汽压力时，产生的气泡会出现破裂或爆炸，这就是气蚀现象。而当下游压力不能恢复到饱和蒸汽压力以上时，气泡会在流体内产生液体和气体的混合物，这叫做闪蒸。当液体物流被混有汽泡或气穴的流体本身所饱和时，就发生物流堵塞，即产生阻塞流。当阻塞流产生时，必然是有闪蒸、空化的发生，闪蒸和空化会对阀门造成一定程度的损坏，降低使用寿命。现在较为广泛的避免产生汽蚀的方法为：控制缩流面处的压力Pvc，使其保持不低于液体的饱和蒸气压Pv，对于压差较大的场合，可通过多级降压，确保介质通过每一降压段时的压力不小于液体的饱和蒸气压。调节阀两端压差即为阻塞流压差(ΔP/)，当ΔP<ΔP/时，即可避免闪蒸和汽蚀的发生。采用多级降压时每一级降压的实际压羞△P均应小于阻塞流压差ΔP/。由于ΔP>ΔP/，且P>Pv。所以不采用降压措施将产生严重汽蚀现象。但是该工况又必须在闪蒸状态下才能生成产品，所以要求该工况阀门具备一定抗闪蒸破坏能力又不能完全避免闪蒸，因此采用一定程度的降压措施。图1降压套筒降压。
4 国外该工况阀门情况介绍
4.1 国外用于蛋氨酸生产项目该闪蒸工况位置的阀门选型基本如下：
根据设计院管道设计情况，确定选择适用于具有大压差、大流量冲刷闪蒸工况的角型阀门。
①  阀体材质：为保证阀体的寿命和使用效果，采用耐腐蚀性极好的锆金属Zr705，该材质具有成功率相对较高的铸造成型性，而且不易产生常见的气孔、沙眼等铸造缺陷。该材质在使用介质中存在极少量的水的情况时，即足以具备在表面形成一层耐腐蚀性极强的耐氧化保护膜。强度和耐蚀性优越。另外这种材料的可允许常态下补焊，而且焊后不需要再进行热处理就能保证良好的耐腐蚀性。
② 阀内件材质：具有陶瓷物理性能的硬化处理后的材质，具有硬度高、耐腐蚀、耐高温特性。
③ 阀门口径：选型为DN40。(设计院设计计算书要求IN40/OUT80)，阀门出口接入闪蒸罐。
4.2 选择该阀门用于上述闪蒸工况，具有以下优缺点：
优点：阀体耐腐蚀，内件硬度高、耐冲刷，使用寿命长可达6个月。
缺点：成本高，国外垄断，交货期长。
5 国内设计院设计该工况阀门情况介绍
5.1 设计院从设计、选材和加工方面进行考虑，针对设计要求，做出如下阀门选型：
① 阀体、阀芯、阀座材质：根据介质特性和相关数据并结合阀门制造商在阀门领域的应用经验，大胆推荐使用哈氏C-276。
②  阀门口径：选型为DN40。(设计院设计计算书要求IN40/OUT80)，管道入口为DN40，出口为DN40，加扩径管扩为80连接，流量计算阀座截径选为25mm。阀门正常开度在20%-60%之间时阀门的使用效果为最好。
5.2 选择该阀门用于上述闪蒸工况，具有以下优缺点：
优点：成本低，交货期短，维修方便，利于积累经验打破国外该行业阀门技术垄断
缺点：无使用经验，性能不稳定，技术不成熟 使用寿命较短。
6 所供阀门结构设计情况介绍
经多次与现场工艺人员交流，基于闪蒸产生的机理和闪蒸工况零件损伤程度，决定在普通角阀基础上进行改进设计，结构图见图1。

图1 角阀结构图

结构特点如下：
6.1  阀座结构采用文丘里角阀通用的设计方式，逐渐扩大的阀座孔，另外还采用锐边设计的阀座孔，使之排出介质远离阀体内壁，在流体的流束中压碎气泡[2]，减小对阀体内壁损伤[2]。采用7°角延长阀座。
6.2 上阀盖和阀体间端面密封采用径向密封圈，利用介质压力作用于弹簧上，使得密封材质扩张，起到端面密封效果。
6.3  阀内件结构改为带分流孔的多层套筒结构：该结构可大大地降低闪蒸对于阀内件的损伤，可用于极高能耗的场合中。这种结构可以引起流体在小孔中的扰动，造成流体本身内部的互相碰撞，阀芯和阀座的通道内会有比较大的扰动。阀门上游的能量被流体互相碰撞产生的摩擦力转换成热能，基本上可以做到阀内压力降低而且基本没有压力恢复，可以极大程度的减小了气泡形成区域的面积，使得下游增压造成的气泡破裂产生的冲击不出现在阀体内壁[2]，从而进一步减弱对阀体造成的损伤。

图2 内件降压结构示意

6.4  阀内件材质及工艺改进：将阀内件材质在哈氏C-276基体上喷焊一层合金(见图3、4)，该合金具有较高的硬度，其硬度可达HRC52～58，较好的耐弱酸腐蚀性(工况介质呈弱酸性，PH值为5.6～6.1[3])。合金喷焊时需保温喷焊，喷焊时要求速度均匀，力求与哈氏C-276基体融合程度达到最高。喷焊后精车阀芯部件和阀座时，需注意设备选用以及切削参数和刀具的选择，应在加工精度较高的数控车床上进行车削加工，转速控制在较低转速100r/min，吃刀量选择0.5～0.7mm，刀具选择数控成型刀片YG类。在选用此类刀片和切削参数时，对于加工喷焊此类合金的零件来说是较好的选择。

图3 阀芯喷焊合金图

图4 阀座喷焊合金图

6.5  阀座密封圈结构改进：将阀座密封圈结构由进口径向密封圈改为金属缠绕垫圈，采用哈氏C-276和石墨缠绕形成的垫圈密封，该密封圈所处位置位于内件节流位置，易损耗，需常备备件。长期更换难免对用户维修费用造成压力，将密封圈结构更改后能够获得相同效果的密封性能，降低了使用成本，减小了用户经济压力。
6.6 供货阀门现场使用效果概述
该结构阀门供货以后，安装至现场管道上使用情况可总结为：使用时间较长，可达3个月以上。能够较好满足用户开车日常生产。对用户现场阀门维护人员进行培训，较好掌握配件更换操作。得到了用户的好评。