严酷工况的控制阀选择

文章作者：Barbara Donohue 翻译：Gordon

原文出处：http://valvemagazine.com/web-only/categories/technical-topics/10080-control-valve-selection-for-severe-service.html

控制阀可用于控制流体流过需要控制的管道的任何系统中的压力，压降，流量和温度。控制阀通常被称为“最终控制元件”，其将来自过程控制器的信号转换成对过程的期望调节。控制阀（及其相关的执行器）通过根据接收到的信号调节其流道尺寸来实现这一点。
许多参数有助于确定为给定应用选择哪种控制阀。对于用于处理严酷流动条件的控制阀而言，选择（通常很复杂）可能变得更加明显。
在最近的一次网络研讨会上，DFT，Inc的控制阀销售经理Stephen O'Neill提供了选择用于严苛服务的控制阀的背景和指南。

什么是严酷工况？

许多不同的行业和应用都会出现严酷工况，包括：

• 电力
• 炼化
• 食品与饮料
• 化工
• 石化
• 水处理
• HVAC

O'Neill表示，严酷工况包括Class 2500和Class 4500的，处理水，天然气，蒸汽或泥浆。他给出了锅炉给水的例子，入口压力为2650 psig（18,271 kpa），压降为2580 psi（17,788 kpa）。

严酷工况的条件可能包括以下任何或全部：

• 高压，超过1500 psig（10,342 kpa）
• 高压降，高达3000 psig（20,684 kpa）
• 高频
• 高温，最高1900°F（1038°C）
• 低温，低至-425°F（-254°C）
• 高腐蚀性流动（浆液）

这些条件在设备上非常困难，并且这些应用需要独特且专用的控制阀。

控制阀的类型

O'Neill讨论了四种用作控制阀的阀门（图1）。每个都提供关于Cv（流量系数），压力恢复，调节控制和关闭的不同特性。 （Cv是60°F（16°C）水的加仑流量（3.8 l），在1磅（7 kpa）压降下，它将在一分钟内通过阀门。）

Globe型控制阀用于适用于低Cv，低压恢复，精细调节控制和一系列关闭的应用，具体取决于条件。

球阀控制阀通常提供高Cv，高压恢复，粗调节控制和紧密关闭。

蝶阀式控制阀提供高Cv，高压恢复，粗调节控制和一系列关闭，具体取决于设计。

直通文丘里型，提供高Cv和高压恢复，精细调节控制和紧密关闭。

在选择阀门类型时，O'Neill建议查看所需的压力恢复与所需的控制精度。例如，具有曲折流动路径的Globe阀显示出较低的Cv和压力恢复，但它提供精细的流量调节，而球阀提供高的Cv和压力恢复，但仅提供粗调流量。

高压应用的挑战

高压应用带来了各自的挑战。这些包括承受高压和管理大压降。用于高压应用的阀门需要更大的阀体，阀盖和法兰的材料厚度来控制压力并达到或超过相关标准（ANSI B16.34阀门法兰，螺纹和焊接端以及ANSI B16.5管道法兰和法兰配件）。阀体可以由锻造坯料加工而成，其具有比铸件中通常具有的材料完整性更高的材料完整性，因此能够承受更高的压力。

高温应用需要特殊材料温度超过800°F（427°C）的应用称为“高温”。由于金属在高温下通常会失去屈服强度，因此需要使用特殊的高温材料。这些包括铬钼合金钢和不锈钢。用于温和或中等工作阀门的碳钢，例如A1105，在800°F（427°C）时的最大工作压力可能为6170 psig（42,541 kpa）。相比之下，F22铬合金在相同温度下可承受7610 psig（52,180 kpa）的最大工作压力。他说，在温度超过1200°F（649°C）时，许多制造商提供由316不锈钢制成的阀门。电力行业最近的一个趋势是将F22铬钼阀用于高温水或蒸汽。另一种适用于高温应用的装置是提供一个延长的支架结构，以使控制阀的执行器远离热阀和管道，以保护其免受热损坏。

问题：闪蒸和气蚀

虽然在任何系统中都可能发生闪蒸和气蚀现象，但它们可以使阀门的严苛工况更具挑战性。在流动中的压力低于液体的蒸汽压力并且在液体中形成蒸汽气泡的地方发生闪蒸。这种情况通常发生在流动区域，流动区域最小，速度最大，压力最小。

空化是当流动中的压力增加到大于液体蒸汽压力时发生的现象。当压力恢复到这个水平时，蒸汽泡破裂。如果气泡位于表面或表面附近，例如阀体或阀芯，它们会变形和内爆，如图2所示，产生强烈的液体射流，撞击在表面上。这些喷射会对金属表面造成严重损坏（图3）。

空化损伤的解决方案：让空化远离表面

O'Neill解释说，在直通文丘里阀设计中，最高速度，因此最低压力，发生在流动路径的中心附近。因此，如果形成蒸汽泡，则它们远离阀体或阀内件的任何表面，并且当它们塌陷时，所得的流体喷射不会撞击任何表面。

另一种防止气蚀损坏的方法是增加防气蚀阀内件，这是许多阀门制造商提供的选择。例如，这种阀内件可以引导Globe阀中的流动，使得发生的任何空化远离阀门表面。或者，另一种类型的阀内件解决方案通过一系列通道和扩展区域逐渐降低压力，这可以防止气蚀损坏并且可以完全防止空化。

问题：浆液流的侵蚀

浆液定义为固体在液体中的悬浮液。 O'Neill说，这种流动混合物存在于许多应用中。实例包括发电厂中的石灰浆，油砂浆和煤或水泥浆。他说，浆液可能非常磨蚀，往往会导致机械设备严重腐蚀。其中许多表现为液体砂纸。在阀门中，浆液可影响整个流动路径，浆液接触任何表面的所有区域，包括阀内件和阀体。

谨慎维护

O'Neill说，所有阀门，尤其是严酷工况控制阀，都受益于定期维护。他建议与最终用户一起建立可管理的，预定的预防性维护计划或PM，并始终参考制造商的安装和维护手册。

大多数工厂每年停机一次，以解决其设备的维护和维修问题。O'Neill重申，严酷工况应用带来了不同寻常的挑战。对于任何设备，尤其是对于这些严酷工况控制阀，即使设备没有出现任何问题，也要始终进行指定的维护。

在给予必要的关注和维护时，即使在恶劣的条件下，精心设计和选择的控制阀也能有效运行并保持其所服务的系统的正常运行。