尿素装置蝶阀调节过程中的失效分析及解决措施

毛大军

（呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021506）

1 概 述

调节阀在现代化工厂的自动控制中起着十分重要的作用，是组成工业自动化控制系统的一个重要环节，被称为生产过程自动化的“手足”，正确选择调节阀是确保系统稳定运行的关键。调节阀一般由执行机构和阀体部件组成：按所配执行机构使用的动力区分，可分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀3种；按阀体类型来区分，常用的有直通单座、直通双座、角形、隔膜、三通、蝶形、套筒式、球形等调节阀。

呼伦贝尔金新化工有限公司（简称金新化工）尿素装置中有多台气动蝶阀，运行过程中出现了阀板卡涩、阀位波动大等问题。蝶阀是一种常用的控制阀，具有结构简单、体积小、重量轻、材料耗用省、安装尺寸小等特点，适用于大口径的阀门。蝶阀在调节时，以阀杆为轴心带动阀板旋转，从而达到开关或调节的目的，阀杆只作旋转运动而不作升降运动，因而阀杆填料不易破坏、密封可靠，全开时有效流通面积较大，流体阻力较小。

蝶阀按结构形式可分为中心对称蝶阀和偏心蝶阀。中心对称蝶阀的结构特征是阀杆轴心、蝶板中心及本体中心在同一位置上，结构简单，制造方便。偏心蝶阀主要有单偏心、双偏心及三偏心等：单偏心是指蝶板的回转中心相对于蝶板中心在轴向存在偏心距h；双偏心在单偏心的基础上增加了蝶板的回转中心相对于蝶板中心在径向存在偏心距e；三偏心是在双偏心的基础上阀座所在圆锥形的高线与阀体通道轴线有一个夹角a，即角偏心。

2 尿素装置蝶阀调节过程中存在的问题

金新化工尿素装置共有12台单偏心蝶阀，工艺介质的压力、温度都不高，介质温度40～180℃，压力最低40kPa（A）、最高1.1MPa，主要用于闪蒸分离器工艺气及低压蒸汽的压力调节，以及蒸汽冷凝液的流量、温度调节。这些气动蝶阀安装调试时阀门动作平稳、顺畅，无任何问题，然而在尿素装置运行过程中一些蝶阀开关过程阀位波动很大，造成系统工况出现较大的波动，有些蝶阀甚至出现卡涩、不动作的情况。

以低压调温水系统（其工艺流程见图1）为例，低压调温水通过低压调温水循环泵（P306A／B）进行循环，通过调节阀（TV3201）和旁路阀（FV3205）控制流过低压调温水冷却器（E306）的水量来控制低压调温水的温度，然后低压调温水进入低压甲铵冷凝器（E303）与甲铵液换热。

图1 低压调温水系统工艺流程简图

FV3205是气关阀，工作介质温度65℃、压力0.45MPa，关闭压差为0.8MPa，气源故障时打开，其执行机构型号为AT600DAF1436，最大输出扭矩为1064N·m，该阀有副线。TV3201属于气开阀，工作介质温度65 ℃、压力0.45MPa，关闭压差为0.8MPa，气源故障时关闭，其执行机构型号为AT700S11AF1646，最大输出扭矩为949.4N·m，该阀无副线。执行机构正常工作的仪表气源压力为0.5MPa。

在调节阀前后没有工艺介质流过的时候，阀门动作很正常，但当管内流过温度65℃、压力0.45MPa的冷凝液时，FV3205关到15%左右就不再动作了，开启副线切断阀至20%开度后，FV3205调节正常。TV3201在运行了10多天后，阀门卡在了15%左右开度的位置，无论主控输入多大的开度信号，该调节阀都不动作，用手轮开阀门，在小开度的位置可明显感觉到阀板卡涩，并且阀位波动较大。

3 可能原因

上述蝶阀都是采用单作用气动活塞执行机构控制，执行机构为意大利AT品牌产品，配置AVP302电-气阀门定位器，调试时阀位正确，排除了定位器的问题，那么，蝶阀出现上述问题的可能原因有哪些呢？

3.1 工况条件变化

如果运行工况条件与设计数据出现了较大的偏离，如介质温度、压力及调节阀关闭压差等与设计不符，或者流过调节阀的介质洁净度太差，都会导致调节阀无法正常运行。

3.2 数据表不准确

在调节阀数据表上，最大工作压差是最重要的基本数据之一，如果该数据不准确，将可能导致所选择的执行机构推力不足，也有可能导致阀门结构形式的选择出现错误，阀门达不到允许压差要求而关闭不严。阀门正常工作时，阀前的压力通常不能作为允许压差的计算根据，正常工作时阀前后的压差可能并不大，但随阀位开度逐渐变小，阀前后压差会逐渐增大。

以阀门在正常工况下运行时阀前后的压力计算出来的压差作为允许压差往往偏小，最大工作压差的含义是指阀门即将关闭时可能出现的差压值，阀门即将关闭时，流体输送设备出口压力将达到设备运行的最高压力，使得非正常工况下阀前后的压差远远大于正常工作时的压差，如此可能导致阀门开到某个阀位时就不再动作了。

3.3 选型设计不合理

阀门选型过程中必须知道两个参数：一个是关闭阀门所需的扭矩，另一个是执行机构的最大输出扭矩。为实现阀门的完全关闭，执行机构的最大输出扭矩一般应不小于关闭阀门所需扭矩的1.3倍，设备厂家在选择执行机构的时候，必须考虑这个条件，对于有联锁要求的，还需加大阀门执行机构的输出力以实现快速关闭或者打开。

阀门在设计时，其允许压差除了与阀门的结构形式有关外，还与执行机构的推力有关。执行机构的推力越大，阀门的允许压差越大，但当允许压差超出一定范围后，可能无法配用更大推力的执行机构，这时就应选用允许压差更大的阀门结构形式了。因此，执行机构扭矩大小的选择及阀体结构的设计非常重要，在一些工况中压差比较大的场合，所需的执行机构的扭矩也比较大，必须达到相应的要求，否则可能因执行机构推力不够而致阀门关闭不严。

4 尿素装置蝶阀调节失效的原因排查

对2台蝶阀解体检查，发现TV3201阀板密封面受损，出现了明显的凹槽，阀板密封面处有变形，确认是因为阀板密封面处有变形的情况下阀板在即将脱离阀座的时候阻力增加，增大了阀门的开启扭矩，导致调节阀不动作；检查FV3205，确认其阀板、阀座完好，接入仪表空气，再次调校阀门，阀门动作正常，阀位也正确，开启工艺管道副线切断阀部分开度后，调节阀前后压差减小，FV3205调节正常，于是对FV3205执行机构的扭矩进行核算。

虽然在很多因素的影响下，阀门扭矩计算值并没有试验得出的结果精确，但阀门扭矩计算值仍有很大的参考意义。阀门扭矩计算要兼顾阀板与阀座的摩擦，阀轴与填料的摩擦，以及介质在不同压差下对阀板的推力。阀板、阀座、填料的种类较多，每一种都有着不同的摩擦力，接触面大小各异，填料压紧程度也不同，因此蝶阀阀杆扭矩（MD）计算时要考虑密封面间摩擦力矩（MM）、阀杆轴承的摩擦力矩（MC）、密封填料的摩擦力矩（MT）、静水力矩（Mj）、动水力矩（Md）。蝶阀阀杆扭矩（MD）按下式进行计算：

计算蝶阀在关闭或开启过程中的阀杆扭矩（MD），在蝶阀关闭最终或开启最初时，由于此时蝶阀处于密封状态（静止状态），因而Md＝0，且阀杆垂直安装，Mj＝0；阀门在关闭或开启过程中，即阀门处于动态过程时，关闭过程的Md为正值，开启过程Md为负值。

偏心蝶阀阀杆扭矩（MD）计算时，其MM、MC、MT、Md按下式计算：

双活塞双作用执行机构气缸，其活塞推力（FT）和活塞拉力（FL）为单活塞杆双作用执行机构气缸活塞推力和活塞拉力的2倍。

计算MM、MC、MT、Md时涉及到的量符号及其意义见表1。

表1 计算中涉及到的量符号及其意义

设计数据：FV3205全开时流量Q＝2244 m3／h；阀座直径为300mm，蝶板的密封半径R＝150mm；公称压力p＝1.6MPa；密封面的接触宽度bM＝12mm；阀杆与蝶板中心的偏心距h＝30mm；阀杆直径dF＝30mm；填料层总高度hT＝30mm；蝶阀的关阀时间t＝5s。查表得密封面的摩擦系数fM＝0.15，轴承的摩擦系数fC＝0.15，填料与阀杆的摩擦系数uT＝0.1，密封比压qM＝4.7MPa。

当管道内无工艺介质时，管道内压力为0，由上述公式可知，此时MC、MT、Md趋于零，即MD1＝MM，由式（2）计算得MM＝776478.7 N·mm。当管道内有工艺介质流过时，蝶阀关阀过程Md最大时，查表得λa＝146200、ζa＝3620、ζ0＝0.065。将设计数据代入上述计算式，由式（9）计算得介质流速V0＝8822.8mm／s，由式（7）、式 （8）计算得最大静水压头H＝405720mm，由式（5）计算得动水力矩Md＝281.4N·mm，由式（6）计算得作用在阀杆轴承上的载荷QC＝281394.5N，由式（3）得阀杆轴承的摩擦力矩MC＝633137.6N·mm，由式（4）得密封填料的摩擦力矩MT＝6782.4N·mm，则由式（1）得阀杆的最大扭矩MD2＝MM＋MC＋MT＋Mj＋Md＝776478.7＋633137.6＋6782.4＋0＋281.4＝1416680.1N·mm≈1416.7N·m。

通过上述计算可以很清晰地知道：当管道内无工艺介质时，阀杆扭矩MD1＝776.5N·m＜1064N·m（最大输出扭矩），阀门动作正常；当管道内流过工艺介质时，阀杆扭矩MD2＝1416.7N·m＞1064N·m（最大输出扭矩），执行机构扭矩偏小，阀门出现阀位波动、卡涩等现象。

5 解决措施

（1）单偏心蝶阀被开启后，蝶板并不能迅速脱离阀座，蝶板与阀座之间处于挤压状态，增大了蝶板与阀座间的磨损，加大了开启扭矩。而FV3205所配置的执行机构扭矩偏小，导致在阀前后压差较大的情况下执行机构扭矩无法克服蝶阀开启时的阀杆扭矩，因此，需解决单偏心蝶阀执行机构扭矩偏小的问题。为节省投资，充分利用现场设备，对单偏心蝶阀原有执行机构进行双作用（取掉执行机构两侧的弹簧，成为双活塞双作用执行机构）最大输出扭矩（Mmax）的验算——最大输出扭矩（Mmax）为活塞力（F）与力臂（L，为旋转轴径的半径）的乘积。据设计数据——执行机构气源压力pS＝0.5MPa，活塞直径D＝180mm，旋转轴径120mm，活塞轴截面长60 mm、宽30 mm，结合式 （11）、式（12）得出执行机构最大扭矩Mmax1＝2FTL＝1220.8N·m、Mmax2＝2FLL＝1454.0N·m。

通过上述计算可以很清晰地知道，将单偏心蝶阀改为双活塞双作用执行机构，可以增大执行机构的扭矩，但是执行机构的扭矩Mmax1依然小于管道内流过工艺介质时阀杆的最大扭矩MD2（MD2＝1416.7N·m），即将单偏心蝶阀改为双活塞双作用执行机构并不能使问题得到解决。于是，决定将 FV3205 执行机构型号更换为AT650DAF1646，AT650DAF1646的最大输出扭矩为1787N·m。更换后，FV3205调节正常，问题得以解决。

（2）将TV3201调节阀阀板密封面受损部位维修处理后，TV3201调节正常。

（3）对尿素装置其余单偏心蝶阀，通过类似计算进行调节失效分析后，新增双作用放大器，并对仪表气路重新配管。技改后单偏心蝶阀阀杆最大扭矩符合要求，阀门动作明显改善——卡涩现象得以消除，阀位波动问题得到解决，满足了工艺人员的操控要求。

6 结束语

蝶阀在设计时，正常开度一般在60% ～80%，当蝶阀在小开度下运行时，阀前后的压差较大，阀门未在原设计工况下工作，就可能出现阀位波动的现象。因此，调节阀要尽量在设计工况下运行，小开度的工况不仅易损坏阀门，大大缩短阀门的使用寿命，而且可能导致阀门无法正常工作。当然，在阀门采购之初，更要准确提供阀门的数据表，这是保障阀门稳定运行的前提。

对于介质洁净度差的设备及管道，除仪表人员要定期检查、清理设备、阀门外，工艺人员也要定期清洗管道及设备内的杂质，并在某些关键位置采取相应的措施，如在阀前加滤网、管道上增设低点排污导淋等，如此可大大降低阀门出现故障的几率，提高装置运行的可靠性与稳定性。

综上所述，金新化工尿素装置单偏心蝶阀运行中出现的阀位波动大、阀板卡涩等问题，都是源于蝶阀执行机构的扭矩较小，未能克服蝶阀开启时的阀杆扭矩，因执行机构推力不足而致调节失效。找到蝶阀调节失效的原因后，金新化工采取了更改气路、改变执行机构作用方式、更换为输出扭矩更大的执行机构等解决措施，其目的都是为了增大执行机构的扭矩。解决措施落实后，蝶阀运行中阀位波动大、阀板卡涩等问题得以解决，满足了工艺操作的基本要求。希望上述关于单偏心蝶阀调节失效的解决措施，对业内类似工况下类似问题的解决有一定的借鉴作用。