【中国阀门网】
作 者：Mr. Holger Siemers Samson AG
摘 要：在控制阀苛刻应用领域拥有三十多年的使用经验及深刻见解的Mr.Holger Siemers 在本文中首先介绍如何采用独立的CONVAL 控制阀软件通过实例从整体优化、设计的角度进行阀门计算选型、故障诊断；其次讨论控制阀在苛刻工况中的应用降低使用、维护成本、提高寿命问题；最后讨论阀杆密封、介绍抗气蚀结构蝶阀、球阀的应用。
关键字：金属波纹管、泄露等级、金属密封
7）关于直行程控制阀的外漏
随着对环保的要求越来越高，如何提高直行程控制阀阀杆密封、防止阀杆外漏的问题已经普遍被各个阀门制造商所关注，尤其针对一些苛刻的例如：易燃、易爆、剧毒、易挥发介质，不仅仅污染环境，对装置的安全运行也构成了威胁。对于这类控制阀的阀杆密封，通常采用波纹管密封和普通填料密封两种技术，波纹管从材质上主要有金属波纹管和PTFE波纹管；而普通密封填料主要还是由PTEF、石墨以及混合（合金）等材质组成。图32，图33为普通PTFE V型填料和金属波纹密封示意图。
图32：PTFE V 型密封填料
◆ V型密封圈结构设计
◆ 含碳纤维PTFE材料
◆ 带弹簧负载功能
◆ 填料具有最小维护功能
◆ 低泄露率（10-5 mbar l/sec）
◆ 耐温可达220℃
图33：控制阀金属波纹管密封技术
图34：普通密封填料与金属波纹管性能比较
图35：SAMSON PTFE/石墨/金属波纹管性能比较
从密封性能上分析，最好的PTFE V型密封填料能达到低泄露率10-5mbar l/sec，而金属波纹管几乎能达到零泄露。从上图34可看出，对于普通填料，经历一段工作时间后，其使用性能开始下降；但金属薄纹管密封则不然，在其整个寿命周期内，性能几乎保持一致。图35对不同填料的使用寿命进行了分析，从中不难看出金属波纹管的寿命和自身工作时的伸、缩量有关，例如当其伸缩变化量为波纹管总变化量长度的20~30%时，波纹管的寿命应该是普通PTFE填料的10~15倍，而当波纹管每次都是满负荷即从静止到伸张到最大长度工作时，波纹管的使用寿命并不长，基本等同于普通石墨填料的寿命，其实这也恰恰说明：正是控制阀具备这样的特点，在控制点上下，阀杆小幅度地运动导致波纹管伸缩变化基本在20~30%范围内，甚至更低，从而保证了卓越的波纹管密封性能和更长的使用寿命。如果在直行程切断阀上使用波纹管，其性能、寿命会大打折扣。从图35中还能看出，对于普通PTFE、石墨填料，其使用寿命和每次阀杆变化量无关，使用性能及其损坏主要取决于阀杆行程总量（磨损程度）和阀杆、填料间的磨擦系数等因素。
8）在高端应用中，控制阀的选型与成本控制
在过去的几十年里，无论是上游油气开采还是下游碳氢化合物的加工，诸如炼油厂、烯烃厂、甲醇厂、液化天然气的储运等装置，为适应市场需求都要不断扩容。如何对已有的生产设施消除瓶径、实现产量增加迫使工厂设计者们要不断思考、开发出更为经济的解决方案。核心目标是降低能耗、实现能源的重复利用、满足越来越苛刻的环保要求、进一步降低阀门内部外部泄漏率、噪声水平、运行成本以及因突发事故停车所造成的经济损失。
单座笼式阀是几十年前油气开采和炼制工业初露端倪时开发出来的产品。这种设计结构几十年都没有什么大的变化，已经越来越难以满足经济和技术日新月异对现代控制阀的要求了。传统的笼式单座阀在介质不含杂质颗粒，温度的波动以及来自管道的力不足以对笼式平衡结构造成影响的情况下运行良好，但随着口径的增大，采购和运行成本显著提高，同时由于不断加大的运动部件摩擦导致控制特性变坏以及由于过滤装置，蒸汽疏水阀，管道力补偿装置安装操作不当所产生的干扰、堵塞也会经常影响阀门的正常使用，如图40，这种情况下维护费用变成了一笔可观的成本。
图40：单笼式阀受含杂质介质的影响及阀内磨损
另一方面，由于不重视阀门实际的内泄露量，也会给用户造成巨大的经济损失，相对地提高了装置的运行成本，例如在原东德一家化工厂使用一台8”单座笼式阀，其流量系数Cv=775，Class IV=0.01% Cv，过程介质为碳氢化合物，表压362psi，392ºF，放空应用场合，正常情况下阀门均处于关闭状态，经过计算阀门关闭时的泄漏量累积为32.16 kg/hr =772 kg/day= 278ton/year，每年造成的损失大约损失300，000 美元。这个例子说明对于单座笼式阀而言，金属密封最大泄露等级Class IV=0.01% Cv 在一些高端应用场合已经不能再满足要求了，而是要求满足IEC 534 第4部分（金属密封）所规定的泄漏等级V级标准，见图41对于口径为DN8”阀门Class IV与Class V的比较，二者之间实际的泄露量近乎差16000多倍，对于口径达到DN16”的阀门，二者间泄露量甚至相差30000多倍，在这种情况下，如果采用标准的单座阀设计，要达到有效的V级金属密封要求，对于任何阀门制造厂家都称得上是一种挑战，尤其对于压力平衡式单座阀芯结构设计，当温度超过200ºC时，要实现V级泄漏标准将会加大运行成本和密封性能失效的危险，此外V级密封除了要求严格控制工艺公差之外，对工艺介质中杂质颗粒以及温度波动的敏感性也会随之大大增加。
图41：IEC534 Class IV与Class V泄露率比较
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基于上述，在高端尤其是高温、大口径、对泄露率有严格要求的应用场合，单座阀的应用受到了一定的限制，即使可以应用单座阀，但对于口径超过一定尺寸时，阀门的造价和上述的V级与IV级泄露率比较一样将是相当惊人的，更有甚者有些工况阀门口径要达到DN3000mm或更大，压力等级将达到Class 2500。那么在这样一些应用场合，有没有最佳的选型方案呢？答案是肯定的，可以选用特殊结构的偏芯旋转阀、高性能三偏心蝶阀以及低噪音设计结构的球阀来代替单座阀。
在过去的几十年中，蝶阀的设计经历了从单偏心向双偏心及三偏芯的转变，通过减小初始扭矩实现提高控制精度，对于阀内件例如抗大压差、降噪、抗气蚀型阀板的设计应用，也已经达到了非常成熟的阶段。Samson AG及其子公司VETEC，PFEIFFER和LEUSCH借助最新的技术，通过不断的研发，能够为阀门在各种严酷特殊工况的应用提供新颖、独特的解决方案，诸如在克服磨蚀性、腐蚀性介质、要求大关断差压及阀门快速开关、要求尽可能低的内、外泄漏率、良好的开-关及调节特性、特殊降噪及抗气蚀阀内件、大压差情况下调节控制、贵重合金材料应用、结晶粘稠介质控制以及特殊阀门计算诊断程序等方面都能提供给用户切实可行的方案。在此针对高端场合阀门的应用，列举如下两种特殊阀门。
三偏心蝶阀：
当发生温度波动时，阀芯移动微小位移到新的密封角度以补偿材料膨胀的影响，见图42，获得三偏心阀门纯熟的加工工艺要经过许多年的艰苦工作，对密封单元的工艺相当成熟，但在很高的温度波动等严酷工况下，长期有效的V 级密封仍旧难以实现。LTR 43 系列的三偏心设计可以提供1：100的大量程比，可提供减噪、抗气蚀阀内件装置。（见图43、图44、图45）。三偏心蝶阀系列提供可互换的阀内件，分层的或全金属座圈以实现低的起始扭矩和耐久的V级密封（金属密封）。一旦发生阀内件损坏，阀芯阀座容易更换。
图42：LEUSCH LTR 43 三偏心蝶阀
图43：LEUSCH 加工LTR 43 三偏心蝶阀
图44：LTR 43 系列特殊应用，其中：
图A：两处可更换的密封元件。
图B：由于阀座损坏，必须更换阀芯，可以更换阀体上的密封元件。
图C：特殊的挡圈可提高量程比> 1：100
图D：低噪音设计的蝶阀可降低15 dB（A）
图45：LTR 43 系列适用于液体的减噪结构产品实例
在上图45中：图C所示减噪设计与图D所示下游减噪装置连合使用可实现在整个在控制范围内提高抗气蚀能力。如果在选型过程中发现单座阀无法满足要求，V级密封配合减噪装置是较为经济的解决方案。此外：
图A：低噪音结构设计，单片多孔减噪板在qmax（设定点控制）可实现降噪5-7 dB（A）。
图B：5 级多孔减噪器在qmax（设定点控制）可实现降噪7-10 dB（A）。
图C：多级多孔减噪器在qmin（开车控制）可实现降噪10-15 dB（A）。
图D：三级多孔减噪器在qmin（开车控制）可实现降噪10-15 dB（A），下游减噪器在qmax点实现减噪。
具有减噪结构的球阀：
如果没有经济可行的单座阀方案，同时又要求降噪>15-25dB（A），见图46，可选用加减噪结构的球阀。典型的应用包括：向终端加料时的流量控制、泵排放物料控制、节流及批量控制、防喘振控制、放空控制、双流向的应用场合如海上平台物料传送等。
图46：具有减噪结构的球阀及贵金属球芯
总之在大多数的工程实践中，首选非压力平衡的单座阀来保证可靠生产。单座阀配以合适的减噪装置最高可实现降噪40dB（A），相比之下，加减噪的角行程阀最多只能降25dB（A）。从节约成本的角度考虑（投资成本和维护成本），大口径的单座阀成本相当高。高流通能力的旋转型阀门在允许出口流速的范围内减小阀门口径有助于降低成本。
应用于严酷工况的旋转型阀门在选型过程中要格外谨慎，发生气蚀和闪蒸时，要综合考虑变径和出口流速等因素。三偏心结构的蝶阀和低噪音的笼式球阀cage-ballTM的设计完全能够胜任单座阀所不适用的高端应用场合，三偏心蝶阀口径可做到DN 3000压力等级至Class 2500。
采用扭转力矩大的角行程执行器可以适应高的关断差压，在很宽的温度变化范围内实现V级密封。
相信与传统的笼式单座阀相比，新型高性能蝶阀和球阀能够成为为石化行业降低成本、解决苛刻工况应用的一种解决方案。
参考文献：
1.Baumann H.Control valve Primer，-Chapter Saving Energy-ISBN 1-55617-323-7.
2.Dr.Kiesbauer J.：Control valves for critical applications.Hydrocarbon Processing，June 2000 Valve World Conference 2002，Advanced Conference Programme P2002，Maastricht，Netherlands.
3.Dipl.lng.Siemers H.：Valve World Conference 2002，Advanced Conference Programme P2003， Maastricht，Netherlands.
(来源：全球阀门网)
