苯乙烯装置乙苯调节阀汽蚀的原因及处理意见

风钢铁业

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].