于蕾

（中國石化工程建設(shè)公司，北京100101）

聚乙烯裝置調(diào)節(jié)閥的選取是否合理對于控制回路的最佳性能發(fā)揮起著極其重要的作用。筆者從事聚乙烯裝置儀表相關(guān)設(shè)計(jì)工作多年，結(jié)合在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中對調(diào)節(jié)閥技術(shù)確認(rèn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探討聚乙烯裝置調(diào)節(jié)閥的選取方案。

1 聚乙烯裝置中的調(diào)節(jié)閥選型

1.1 結(jié)構(gòu)形式

1.1.1 直通單座閥

由于只有一個(gè)閥芯，容易保證密封，泄漏量小，但不能完全切斷，所以適用于泄漏量要求小的場合。同時(shí)，由于壓差對閥芯產(chǎn)生的不平衡推力較大，宜用于中、小口徑的閥門。由于閥體流路較復(fù)雜，加之導(dǎo)向處易被固體卡住，不適用于高黏度、懸浮液、含固體顆粒等易沉淀、易堵塞的場合。這類閥門是聚乙烯裝置中應(yīng)用最多的一種，在確定閥門形式的時(shí)候需特別留意確定工藝介質(zhì)中是否含有固體粉末、顆粒等雜質(zhì)。

1.1.2 角型調(diào)節(jié)閥

角型調(diào)節(jié)閥的閥體為直角形，其他結(jié)構(gòu)與直通單座閥類似。但是角型調(diào)節(jié)閥的閥芯為單導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，只能正裝不能反裝。這種閥的流路簡單，阻力小，閥體內(nèi)側(cè)流線型通路有助于防止固體在內(nèi)壁堆積，特別適用于高黏度、含有懸浮物和顆粒狀物質(zhì)流體的調(diào)節(jié)。

1.1.3 偏心旋轉(zhuǎn)閥

適用于高黏度、高壓差、嚴(yán)密關(guān)閉、可調(diào)范圍大的場合。例如某些漿料介質(zhì)，如果使用普通直通單座閥，顯然是不合適的。偏心旋轉(zhuǎn)閥的閥芯會(huì)在打開時(shí)盡可能快地偏離與閥座的接觸，可以減少摩擦和磨損，非常適用于聚乙烯裝置某些工況流體中含有微量固體粉末和黏稠的催化劑介質(zhì)等。

值得注意的是偏心旋轉(zhuǎn)閥與V形球閥不是同一個(gè)概念。V形球閥沒有偏心結(jié)構(gòu)，球在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候閥芯仍然與閥座接觸，而偏心旋轉(zhuǎn)閥的閥芯在旋轉(zhuǎn)過程中，由于閥芯的偏心安裝方式，會(huì)把閥芯盡量拉離閥座，使得閥芯與閥座密封面的磨損減少至最小。因此，偏心旋轉(zhuǎn)閥的最顯著特點(diǎn)是偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大程度地避免了閥芯與閥座之間的磨損，在選型的時(shí)候要注意區(qū)分偏心旋轉(zhuǎn)閥和V形球閥這兩種閥門形式。

1.1.4 微小流量調(diào)節(jié)閥

結(jié)構(gòu)與單座直通閥類似，專門針對微小流量調(diào)節(jié)而設(shè)計(jì)的閥門。適用于需要對微小流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況，例如生產(chǎn)過程中需要加入微量調(diào)節(jié)劑或者催化劑的場合，也是聚乙烯裝置中不可缺少的一類閥門。

1.1.5 蝶 閥

蝶閥用來調(diào)節(jié)液體、氣體、蒸汽的質(zhì)量流量，由于這種閥具有自清洗作用，可廣泛使用于有懸浮顆粒物和濃濁漿狀的流體。蝶閥結(jié)構(gòu)簡單，流通能力大，特別適用于大口徑、大流量、低壓差場合。同時(shí)，蝶閥結(jié)構(gòu)緊湊、占用的空間小，在空間有限的情況下也是可以考慮選擇的。

以上為聚乙烯裝置中常用到的幾種閥門結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)不同的工藝介質(zhì)，有針對性的選擇不同結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥，在設(shè)計(jì)中是十分必要的。

1.2 調(diào)節(jié)閥材質(zhì)

調(diào)節(jié)閥的材質(zhì)應(yīng)與工藝配管材料等級(jí)一致，閥體、閥蓋、填料、閥內(nèi)件的材質(zhì)必須能夠承受工藝介質(zhì)的腐蝕。閥體材料優(yōu)先選用鑄碳鋼、鑄不銹鋼，閥芯材料最低選用316SS不銹鋼。

材料的選擇關(guān)系到閥門價(jià)格。聚乙烯裝置一般不含有特殊腐蝕性介質(zhì)，閥門的材質(zhì)通常使用碳鋼和不銹鋼即可；但是在有些帶有粉塵或者固體顆粒的場合需要對閥芯和閥座進(jìn)行加硬處理，以增加耐磨損程度。

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要因素有可靠性、安全性、動(dòng)作平穩(wěn)、輸出力（矩）、最大切斷壓差、泄漏等級(jí)、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等。

在選型過程中，考慮可靠性和簡單性，通常優(yōu)先考慮采用氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)和電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)在沒有氣源提供的場合可以考慮選用，但是電動(dòng)和電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜，也更加昂貴。

選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意調(diào)節(jié)閥的最大切斷壓差，其在調(diào)節(jié)閥的規(guī)格表中必須填寫，最低取閥前壓力值，有時(shí)取閥前壓力值的1.1～1.2倍。

1.4 閥蓋及密封填料

對于一般工況選擇普通型的閥蓋即可，但是在聚乙烯裝置中有以下兩種特殊的閥蓋選擇：

a）延長型閥蓋，用于高溫工況和低溫工況。在聚乙烯裝置，高溫工況主要是蒸汽場合；低溫工況主要是制冷機(jī)，其制冷劑為液體丙烯，最低設(shè)計(jì)溫度為－45℃，應(yīng)選用延長型閥蓋。

b）波紋管密封型閥蓋。氫氣是聚合反應(yīng)不可缺少的原料之一，采用波紋管密封型閥蓋，可以有效地防止氫氣外泄，從而避免氫氣泄漏引起的爆炸和傷人事故。密封填料通常選擇聚四氟乙烯（PTFE），高溫的情況下選擇石墨填料。

1.5 調(diào)節(jié)閥附件

1.5.1 定位器

氣動(dòng)閥門依靠定位器把來自控制系統(tǒng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣信號(hào)作用在閥門上。目前使用較為普遍的是接收4～20mA信號(hào)，帶有HART協(xié)議的智能閥門定位器和現(xiàn)場總線型定位器。

1.5.2 電磁閥

當(dāng)調(diào)節(jié)閥需要聯(lián)鎖時(shí)，需要在氣路上連接電磁閥以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的開／關(guān)控制，通常的安裝方式是氣路上安裝1個(gè)兩位三通電磁閥。

聚乙烯裝置中提供了如圖1和圖2所示的兩種電磁閥安裝方式。圖1為兩個(gè)電磁閥并聯(lián)，這種安裝方式的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高可用性，當(dāng)其中一個(gè)電磁閥故障時(shí)，另外一個(gè)電磁閥仍然可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能。圖2為兩個(gè)電磁閥串聯(lián)，這種安裝方式的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高安全性，當(dāng)其中一個(gè)電磁閥發(fā)生聯(lián)鎖時(shí)，閥門即實(shí)現(xiàn)了聯(lián)鎖動(dòng)作。

具體使用哪一種電磁閥連接方式，要根據(jù)工藝流程的要求，既實(shí)現(xiàn)工藝聯(lián)鎖的目的，同時(shí)又保證高可用性或高可靠性。

圖1 調(diào)節(jié)閥帶并聯(lián)電磁閥配置示例（高可用性）

圖2 調(diào)節(jié)閥帶串聯(lián)電磁閥配置示例（高安全性）

1.5.3 限位開關(guān)

當(dāng)工藝流程中要求判斷閥門位置的時(shí)候，會(huì)要求提供限位開關(guān)，調(diào)節(jié)閥上的限位開關(guān)主要為了參與聯(lián)鎖，判斷閥門是否開／關(guān)到位，以便進(jìn)行下一步操作。

選擇以上閥門附件的時(shí)候，一定要提供儀表的防爆要求和外殼防護(hù)等級(jí)要求。由于聚乙烯裝置的產(chǎn)品為粉料，對于有粉塵介質(zhì)的場合，不僅要滿足氣體防爆要求，還要滿足粉塵防爆要求。

1.6 閃蒸和氣蝕

1.6.1 產(chǎn)生原理

對調(diào)節(jié)閥的性能影響最大的因素中，閃蒸和氣蝕居于首位。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)使調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，嚴(yán)重縮短調(diào)節(jié)閥的使用壽命。

閃蒸和氣蝕產(chǎn)生的原因：為維持流體穩(wěn)定地流過閥門，在截面最小即縮流斷面處，流速達(dá)到最大，流速的增加伴隨著壓力的降低，再往下游，隨著流體進(jìn)入截面更大的區(qū)域，速度下降，壓力則隨之回升；但閥門下游的壓力不會(huì)完全恢復(fù)到與閥門上游完全相等，從而在閥門兩側(cè)產(chǎn)生了壓力降。當(dāng)閥門截面最小處的壓力低于液體飽和蒸氣壓時(shí)，流體中就會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，如果閥門出口壓力仍然低于液體飽和蒸氣壓時(shí)，氣泡將保持在閥門的下游，此時(shí)就是發(fā)生了閃蒸。如果閥門出口壓力恢復(fù)到高于液體飽和蒸汽壓，氣泡將會(huì)破裂或者向閥門內(nèi)部爆炸，從而產(chǎn)生氣蝕。由于氣泡破裂對閥體、閥芯和閥座表面產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致閥體、閥芯和閥座損壞，還會(huì)帶來噪音和振動(dòng)，特別是高壓降工況，閥兩端壓降越高，危害性越大。

1.6.2 解決方案

聚乙烯裝置中，有些工況的壓力無法避免閃蒸和氣蝕的產(chǎn)生，只能采取措施盡量減小閃蒸和氣蝕對閥門的損壞。

a）選用直行程角閥，防止或減少液滴沖擊閥門內(nèi)件。

b）對閥芯閥座表面進(jìn)行加硬處理，以提高抗沖刷的能力。

c）采用分級(jí)降壓內(nèi)件，把通過閥門的壓降分成數(shù)個(gè)較小的壓降，每一個(gè)較小壓降都確保其縮流斷面處的壓力大于飽和蒸汽壓，從而避免氣泡產(chǎn)生。

1.7 生命周期成本

生命周期成本：在產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)有效使用期間所發(fā)生的與該產(chǎn)品有關(guān)的所有成本，包括開發(fā)（計(jì)劃、設(shè)計(jì)和測試），生產(chǎn)（加工作業(yè)）以及后勤支持（廣告、銷售和保證等）。

就調(diào)節(jié)閥而言，生命周期成本主要體現(xiàn)在購置費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用上，選擇一個(gè)合適的閥門對于減少原料成本，增加產(chǎn)出率，減少超標(biāo)產(chǎn)品的重新加工成本至關(guān)重要。因此，對于關(guān)鍵的控制場合，應(yīng)當(dāng)選擇能夠精確實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的閥門，從而提高控制性能，減少維護(hù)量，減少不必要的停車，增加產(chǎn)品合格率。

另外，對于同一個(gè)裝置，在選擇調(diào)節(jié)閥的時(shí)候，可以考慮在工藝條件允許的范圍內(nèi)，盡量減少閥門的種類；不同類型的閥門，對閥門附件提出統(tǒng)一要求，盡量減少備品備件的種類和數(shù)量，便于日后的檢修和維護(hù)。

2 選型中遇到的問題與解決方案

2.1 閥門量程比過大

有的工藝條件要求閥門的可調(diào)量程比達(dá)到100∶1，甚至更大，該要求普通的調(diào)節(jié)閥很難實(shí)現(xiàn)。要解決此問題，需采取以下措施：核對流量數(shù)據(jù)，了解生產(chǎn)過程特點(diǎn)，如果小流量或者大流量僅僅是開車工況或者某些極少用到的工況，可以結(jié)合工藝特點(diǎn)，適當(dāng)選擇確保經(jīng)常用到的工況在可調(diào)范圍內(nèi)，在工藝允許的范圍內(nèi)，極端工況能通過即可；如果工藝上要求必須小流量和大流量同時(shí)可調(diào)節(jié)，可以考慮設(shè)置2臺(tái)閥并聯(lián)做分程控制。

2.2 工況選擇

聚乙烯裝置生產(chǎn)不同牌號(hào)的產(chǎn)品，用到的原料比例和催化劑種類可能不同，同一個(gè)調(diào)節(jié)閥可能會(huì)有幾種工況。有的是既要調(diào)節(jié)小流量，又要調(diào)節(jié)大流量；有的是有幾種不同的工藝介質(zhì)供操作工選擇。因此，計(jì)算各個(gè)工況下調(diào)節(jié)閥的開度，選擇合適的閥門，盡量兼顧幾種工況，尤其是實(shí)際計(jì)算中，有些工況閥門開度良好，而換成另外一種工況，閥門就會(huì)出現(xiàn)氣蝕或閃蒸，這時(shí)就要采取一些措施來應(yīng)對，例如對閥芯和閥座表面進(jìn)行加硬處理等。

2.3 介質(zhì)狀況

聚乙烯產(chǎn)品為粉料，工藝介質(zhì)中常含有粉料顆粒，選用調(diào)節(jié)閥時(shí)，應(yīng)對閥芯和閥座做加硬處理，可以提高閥門的抗磨損能力；選用適合固體顆粒介質(zhì)工況的閥門形式，例如偏心旋轉(zhuǎn)閥。

3 結(jié)束語

每臺(tái)調(diào)節(jié)閥應(yīng)用場合，經(jīng)常會(huì)有幾個(gè)可能的正確選擇。在閥門選型過程中，要兼顧多方面因素，結(jié)合裝置特點(diǎn)和工藝流程要求進(jìn)行選型，同時(shí)還要考慮到閥門的生命周期成本，選擇最適合的閥門。

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