调节阀震荡原因分析与处理

韩平

(中海石油建滔化工有限公司，海南 东方 572600)

创新与实践

调节阀震荡原因分析与处理

韩平

(中海石油建滔化工有限公司，海南 东方 572600)

在甲醇生产装置中，高压蒸汽通往中压蒸汽的减压调节阀开度在行程中段会发生大幅震荡，主要是由于阀芯下行运动到阀座套筒部位瞬间突然增加的不平衡力所致，造成蒸汽管网稳定性不佳，进而影响透平运行工况。详细介绍了阀门故障现象的整个过程和解决该问题所采取的具体方法、步骤；并对阀芯阀座进行了设计改造，改进后的阀芯阀座组合体实现了阀门在装置中应有的全部作用，能够全行程、全时空地保持安全稳定运行。

蒸汽减压 调节阀 震荡

PV015709B是600 kt/a甲醇生产装置中高压蒸汽管网连接中压蒸汽管网的自动调节阀(又称蒸汽减压站)，主要功能是稳定蒸汽管网压力；当合成气压缩机发生联锁跳车时，用该阀把压缩机透平所用的160 t/h高压蒸汽引入中压蒸汽管网，实现减少蒸汽放空、降级利用有效能量的目的。

1 故障现象

自2006年开车以来，凡是经历生产装置开车阶段，在关阀过程中当行程处于45%左右时会发生大幅度阀位震荡的现象，造成高、中压蒸汽管网压力的剧烈波动。

阀位大幅波动时为了达到工艺要求，被迫采用

人工摇动该阀手轮进行机械限位操作。由于阀门尺寸大、差压高，操作手轮不但费时费力，而且震荡失控造成蒸汽管网压力大幅波动对关键设备影响极大；另外，当压缩机意外停车时，该阀会因被限位无法作出应急响应，存在引发相关事故的潜在风险。

2 原因分析

2.1 气动部件问题查找

合成气压缩机透平跳车时透平所用蒸汽要通过该阀送往中压蒸汽管网，联锁动作的紧迫性要求其必须在1 s之内阀位从全关达到全开，为此笔者配套设计了多个气动元器件来增大阀门动作的速度。气动元器件连接如图1所示。

图1 气动元器件连接示意

图1中仪表空气储压罐起到保证供气量和稳定气压的作用，2个过滤减压器把气源压力降到阀门需要的设定压力。2个小型功率放大器将来自阀门定位器的输出信号进行功率放大以加快执行器动作速度，其中一个功率放大器的输出直接送到执行器膜头，另一个功率放大器的输出则作为后面2个大型功率放大器的输入信号，再用复合放大的输出连接至执行器膜头。该配置的优点是利用大型功率放大器动作响应具有一定死区的特点，当控制信号变化较小时，仅由小型功率放大器发挥作用就能满足需要；只有大幅变化时才使用大型功率放大器来驱动。此原理类同于幅值分级处理实现稳定的架构。联锁电磁阀正常时通过阀门定位器输出气压到膜头，跳车时直接送出气源压力使阀门迅速全开。智能型电气阀门定位器接受来自于DCS的控制信号，将其转换成改变阀位的气压调节信号。调节阀执行器由气动膜头接受气压变化进而改变阀位开度。

为了查找阀门大幅波动的原因，对于可能影响到阀位稳定性的气动元器件，均先后进行了检查试验，有的还采用更换新备件来观察效果。凡是涉及动作灵敏度的调整点，都通过正、反向调整使其保持在最有利于稳定的位置，但以上调整未能对改变阀位震荡起到多少作用。

此外，为了排除执行器输出力不足的可能性，将执行器膜头有效作用面积从1 400 cm2升级到2 800 cm2，然而阀位震荡的问题依然没有得到好转。

2.2 定位器参数调整

阀门定位器对于阀位动作起到至关重要的作用，为此笔者多次进行过参数优化调整，以期实现动作稳定的目的。

在定位器内部参数中，对于阀门动作性能起到决定作用的主要有增益和灵敏度，此参数在SAMSON智能定位器中，由代码17项的比例系数KP和代码18项的微分时间区段TV来表示。比例系数KP分为0～17档，数值越小即放大倍数越小，出厂设置原始值为7。微分时间区段TV分为1～4档，数值越小跳变越大，出厂设置原始值为2。

智能型电气阀门定位器具有按照不同调节对象在自校验过程中自主进行参数优化的自整定功能。但由于开车中不能出现大的蒸汽管网波动的限制，该阀的自校验只能在停车检修期间的无压、空载、冷态下完成。阀门定位器初始化自整定完成后，KP=5，TV=3。为了避免出现超调失稳动作，把二者调整为KP=7，TV=4。在静态阀位试验时可以看出阀门跳变已明显趋缓，但开车时仍无法消除震荡现象。

2.3 阀门内部结构分析

经过多次调整阀门定位器与其所属附件，均未消除阀位震荡现象，因而问题的焦点集中到阀门内部。由阀门制造商处确定除非内件损坏或者有异物卡在阀芯与阀座之间，否则不会出现震荡情况。鉴于此，首先利用停车机会解体阀门检查，取出阀芯观察，虽然能看到因管道内少许焊渣造成的纵向划痕，但不是点状分布，而且划痕不深，不足以引发卡涩导致阀位震荡。然后对照图纸检查了所有部件的安装位置，没有发现任何错误。为排除划痕的影响，在不改变原有结构的前提下，把阀芯与定位套接触的有划痕的位置用车床切削掉0.5 mm，既去掉了多数划痕，也可以有效地减小阀芯运动时的摩擦力，能够消除卡涩的影响。然而，该尝试并未获得预期效果，开车中的震荡现象依然存在。

经过逐一排除所有外部相关组件后，猜测阀位震荡是由于阀门内部结构导致。

图2是调节阀内部结构剖面图的阀芯、阀座局部截图。以纵向中心分割线为界，右半边剖面图表示阀芯位于全开状态，左半边剖面图则表示阀芯位于全关状态。当阀位开度在45%～100%时，阀芯密封面上的凸台位于入口蒸汽经第一级笼套减压后的空间内，在此范围内阀芯运动很顺畅。而当阀芯密封面上部的凸台进入到加强降噪笼套内部，此时凸台上下必然因流体压力不同增加新的差压，该差压的数值根据套筒孔径推算很可观。该推向阀芯关闭方向上的差压作用力反应到阀杆上，就成为影响执行器动作的附加不平衡力，而阀芯凸台进入加强降噪笼套的瞬间，即是此附加不平衡力有无的转折点。

图2 阀芯阀座内部结构示意

2.4 分析结论

明确了上述变化的细节之后，操作中引发阀位震荡的现象就能够得到合理解释。阀位从全开到缓慢关闭时，开度在100%～45%区间动作顺畅；当阀芯密封面上的凸台进入到加强降噪套筒内部的瞬间，突然受到附加不平衡力的作用，阀位必然有一个向下的跃动(从趋势记录看约10%变化)，由于实际阀位突然偏离了信号需求位置，阀门定位器会改变输出，从而开大阀位，并且受到几个气动放大器的共同作用，不可避免地会出现矫枉过正的超调，出现超调之后定位器又将很快作出反向调整，使阀芯密封面上的凸台进入到加强降噪套筒内，如此反复就引起了阀位的持续震荡。

因此，阀门内部结构是导致阀位震荡的根本原因，属于制作方面的设计缺陷。

3 改进过程

针对如何消除引发震荡的加强降噪笼套的影响，有两套解决方案。

1) 将原设计的半截加强降噪笼套长度延长至覆盖全行程(0～100%)范围。该方案基于保持并加强降噪设计，不会影响调节阀的所有性能。缺点是加工工艺复杂并且要求颇高，笼套上的密集开孔按照渐变过渡扩大直径，需要精密计算，实施难度很大。

2) 将原设计的半截加强降噪笼套取消。该方案加工简单，容易实施。缺点是缺少加强降噪笼套会使阀门降噪性能有所降低，实施前必须经过评估证明其能够保证阀门噪声达标。

咨询了几家知名调节阀制造商的专业技术人员，对上述两套方案进行计算和评估。多数意见倾向于采用方案2)，既容易加工，也不会造成噪声超标。

考虑到阀芯与阀座的配合尺寸精度要求严格，委托有加工实力的调节阀专业公司进行测绘与制造。相比原件，新阀座去除了原有的半截笼套，新阀芯原密封面上部的凸台也相应做了缩径处理。

4 改进效果

利用停车检修机会更新了改造后的阀芯阀座，从运行结果分析，除了跃变信号稍有滞后外，均达到预期效果，完全能够满足工艺对蒸汽管网调节的动作响应，彻底消除了阀位震荡现象。之后，又经

过多次开车、负荷变化和停车过程的考验，在所有工况下该阀均能够工作稳定，证明改进效果良好。

5 结束语

针对阀门震荡问题展开研究，通过层层剖析和实验，终于发现是因为内部结构设计缺陷导致动作失常。制订了切实可行的改进方案，更新投用后有效地消除了原有缺陷，证实在各种工况下都能正常运行，成功地实现了改进目标。

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韩平(1956—)，男，现工作于中海石油建滔化工有限公司电仪技术部，主要从事化工仪表自动化设备维护检修，任工程师。

TH138.52

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1007-7324(2015)01-0059-03

稿件收到日期： 2014-09-02，修改稿收到日期： 2014-11-20。