摘要：新型自动放氨专用阀的使用寿命已经达到一年半以上，从根本上解决了合成氨氨分和冷交的液位控制的难点问题。介绍放氨阀的研究进程和这种新型的结构、工作原理以及应用情况。
关键词：放氨阀；二相流；阀芯；套筒阀；口径
中图分类号：P23 文献标识码；B 文章编号：1000—3932（2001）05—0047—04
1、引 言
合成氨工段的冷交和氨分都需要氨的液位控制，以氨的液封作用保证高压系统的气体不串入低压系统。一般说来这是容易实现的普通液位调节项目。但是，因为放氨阀的使用寿命极短（大约一个月失控），致使这个简单的液位调节无法运转。近40年来，化肥行业、仪表阀门制造厂家以及科研单位先后做了不少工作，研制了各种对付高压差液流的调节阀。实际效果各有不同，寿命大多在半年以内。较之普遍阀是有了很大的进步，但没有解决根本问题。本人从放氨阀的损坏机理出发，对其他各种放氨加以研究，从结构和材料等方面采取综合措施，研制了新型的放氨专用阀。目前，在湖南攸县湘东化肥厂、福建永安智胜化工联合公司化肥厂应用中，最长使用期已经超过一年半。从阀门的开度情况看，仍然有很长的使用寿命。
2、放氨阀的损坏机理
2.1 二相流体的存在是放氨过程特定的物理现象
二相流体产生的原因是两种完全不同的因素。一种是处于高压条件下的液氨通过阀的小间隙时其静压下降到饱和蒸汽压之下，发生了闪蒸。然而，由于节流区域很短，汽化是不完全的。呈现二相液体共存状态，其中气体的体积超过液体的体积；另一种原因是高压条件下生产的液氨中溶解有一部分氢氮气体，放氨过程的大减压使液氨中的氢氮气体解析出来。据有关资料介绍，1m³液氨减压时，解析出48m³氢氮气体。很明显产生的二相流体中间气体的体积大大超过了液体的体积。因此未汽化的液氨的液滴悬浮于汽氨和氢氮气体中，并被它们包裹着前进。
2.2 高速度氨的液滴流的撞击使阀芯超常磨损
单一的气体其分子质量小，流动速度可以很高。单一的液体其分子质量小，流动速度可以很高。单一的液体其分子质量较大，但流动速度却高不起来。因此单一流体对于阀芯形成不了破坏力。而二相流体里悬浮于气体当中的液氨的液滴具有了液体的质量，同时具有了气体的速度。质量乘上速度，也就具有了远远超过单一气体或单一液体的动能，于是就有了对阀芯、阀座的超常的破坏力量。这种损坏过程类似喷沙过程，喷沙过程是空气作为载体带着磨料向前移动，磨料的速度接近载体的速度。闪蒸过程中的液滴相当于磨料，载体就是氢氮气和气氨。其运动状态完全相同，虽破坏力稍逊，但严重的仍然可以在一周到一月间损坏一个阀。
现场观察损坏的阀芯与气蚀损坏的蜂窝状的粗糙表面相比却有一个非常光滑的外形，这就说明：化学腐蚀和空化现象都微不足道。损坏的主要原因是闪蒸产生的二相流带来的物理性破坏。减压过程的气体解析加剧了这种破坏。并使二相流不可逆转的存在于放氨的全过程中。
3、各种放氨阀的结构特征和解决寿命问题的措施
多年以来为了解决高压差阀的使用寿命问题，阀门生产厂家先后生产了各种不同的阀，使用单位也在放氨的应用中做过很多改进的尝试。其主要的措施无外乎几种：即分段降压；改变液流掸击方式；使密封面与磨损面错开；采用高强度材料。实践说明有些措施没有效果或者效果很小，也可以看出单纯采用一种措施远不如综合运用多种措施的效果好。问题的关键在于能否针对阀的损坏机理对症下药。下面就几种典型的结构作些讨论。
3.1 多级阀芯降压
如图1所示，这种调节阀采用了多级阀芯结构。阀芯和阀座配合把调节阀总的压差分成几个小压差，逐级降压。设计意图是使每级差压都不超过临界压力。目的是防止因超过临界压力液氨闪蒸产生气体，产生二相流。
发送图片到手机，此主题相关图片如下：
图1 多级阀结构
这个结构和方法有一定的效果，但是不能解决根本问题。原因是放氨过程因为解析而产生的气体占的份量太大，它并不因为降压过程不超过临界压力而不产生解析。因此，即使避免了闪蒸，也避免不了二相流。充其量只是减少了少量闪蒸气体，矛盾稍有缓和。与共相类似的阀前后加节流件的方法，其原理和效果都差不多。
3.2 巷道式阀芯的专用阀
如图2所示，西南某厂生产的这种阀主要的设计思路仍然是分散压降的方法，它是使阀芯与阀座之间的节流区尽可能拉长，形成一个降压巷道，沿巷道长度分散压降。其次，由于阀芯的锥度可以做得很小，流体前进方向与阀芯轴向夹角也很小。这样一来，从节流孔入口喷出的流体对阀芯表面的垂直方面作用分力自然减少了。加之，阀芯材料处理后提高了硬度。因此，这种阀成为目前应用得比较好的一种阀门。
发送图片到手机，此主题相关图片如下：
图2 巷道式阀芯专用阀
但是，同样的原因：分散压降不能避免二相流，因此根本的问题还是难以解决。一般的使用寿命也就是半年左右。同时因为阀芯的硬度的提高，带来了新的问题。氨阀的口径一般都很小，采用长巷道后阀芯的直径就更小，硬度提高以后变得很脆弱。而且长巷道的结构使阀芯滑进阀座时，若有不同心，径向的剪切力变得很大，只要阀芯和阀座的同心度稍有偏差，就会折断阀芯。这种情况屡见不鲜。
3.3 使密封面避开二相流的冲击的结构
图3所示为一种倒锥形的阀芯，设计者的意图是在流体前进方向上尽可能减小构件迎角，避免流体从垂直于构件表面方向撞击。同时使磨损位置与密封面错开。实际上这种结构比较适合于手动阀。自动调节当需要流量特性为等百分比时就不容易满足要求了。使用当中，这种阀的寿命也不长。
发送图片到手机，此主题相关图片如下：
图3 倒锥形阀芯
3.4 阀芯阀座硬表面堆焊或采用新材料
国内外广泛采用司太立合金（Rc45）硬化工具钢（Rc70）制造用于抗汽蚀的阀芯阀座。其中一些材料的硬度很高，也很脆。为了形成较好的整体机械性能，于是在某些不锈钢基体上堆焊或喷焊这些材料（见图4）。一般来说这种方法适应于较大尺寸的阀芯阀座。我国合成氨厂大多数装置在年产10万吨以下，放氨阀的口径很小，其阀芯也小，不便加工。同时，直径小，材料硬度高，很容易折断。
发送图片到手机，此主题相关图片如下：
图4 阀芯阀座硬表面堆焊或喷焊
笔者曾经采用预膜锆材料加工阀芯阀座，一方面造价高，另一方面效果也不尽如人意。大尺寸阀芯氧化膜控制得好，使用寿命比较长。小阀芯要超过半年很难。其实各种改进方案都饮食有材料的改进。但是只考虑材料，不改变结构，使用寿命不可能有大的提高。
3.5 新型放氨阀的主要改进措施
3.5.1 采用套筒阀结构
套筒式的结构早已成为调节阀的基本结构形式之一，但目前国内高压阀系列中尚无可供产品。即使在套筒式低压阀的系列中小口径规格也没有产品。在高差压、小流量阀中采用套筒式结构是一个创新。设计者是基于这样的考虑（见图5）：
发送图片到手机，此主题相关图片如下：
图5 套筒结构
从套筒壁上的对称小孔中喷入的流体成为二相流体，一方面流体在套筒中心相互撞击，产生高度的扰动，大量的扰动使绝大多数高速度液滴失去了速度能，失去了破坏力，被流体的摩擦阻力转换为热能。另一方面喷射的液滴在套筒中心才达到高速度，才有破坏力。这时即使能够穿越中心的液滴和撞击后仍具有二次速度的液滴，要到达对面的筒壁会受到滞留筒腔内的液体的阻挡。液体自行缓冲消能。这样就避免了对阀塞（相当于阀芯）和筒壁直接的破坏，保护了密封面。
还有一个结构上的突出优点是：阀塞始终在套筒内上下运动，套筒起导向作用。不存在普通角式阀在启闭过程中，因为阀芯与阀座的不同心，导致对阀芯的径向剪切力而折断阀芯的现象。
很明显，采用套筒式结构可以解决很多其他结构形式解决不了的问题。但是，并非完美无缺。阀塞在套筒内运动，二者之间总得有间隙，于是泄漏总是存在。要完全解决泄漏，结构会变得很复杂。好在放氨过程流体是长期连续的，不在乎是否有泄漏，而在乎泄漏是否小到足够小。泄漏小到最小氨产量时，阀塞关闭后，液位能够回升，而且泄漏量长期保持不变，这就能满足生产要求了。
3.5.2 采用“侧进底出”流向
一般高压角式阀采用“侧进底出”可以减少阀芯的磨损。这里采用这种方式是为了达到这样的目的。由于采用“侧进底出”，阀塞底面处于低压区域，处理好不平衡力之后，阀塞向上的推力很小，膜头操作力也可以减小。更重要的是阀塞上面也处于低压区，高压填料只需要作低压密封，密封问题就容易解决了。
3.5.3 采用高强度、高硬度合金材料
二相流体当中的液滴虽然具有很大的撞击动能，但它毕竟是液体，不具备固体的质量和硬度。只要阀内结构件，特别是节流件阀套、阀塞采用了高强度高硬度材料；只要这些材料的强度和硬度达到足够的程度即可以抵挡二相流的破坏。新型阀已经找到并采用了这种材料。
4、新型放氨阀应用中的一些问题
4.1 放氨阀口径和流通能力的选择
放氨阀的选择按理属于常规的设计选型，没有什么新的要讨论的问题。但是，口径和流通能力问题常常成为设计者与建设单位之间有争议的事。因此，在这里特别加以阐明。
按照氨的年生产能力10000t/a条件下计算数据为：
Q1=2.48m3/η (流量) ρ=0.58g/cm3（密度）
P1=29000kPa（阀前压力） p2=1600kpa（阀后压力）
t1=30℃（阀前液体温度） D1=1600kpf（管道直径）
Fl=0.8（压力恢复系数） PC=11378kpa（热力学临界压力）
Pv=1216kpa（阀入口温度条件下的饱和蒸汽压）
发送图片到手机，此主题相关图片如下：
按照Ⅲ J型配套流程，其中冷交分离氨占75%，其它部分由氨分负担。
因此：冷交为 Kv=0.145×0.75=0.108
氨分为 Kv=0.145×0.25=0.036
根据这个计算结果可以很方便地推算各种生产能力的装置所需要的阀的流通能力的大小。Dn15的阀门最大流通能力可以达到4.0，可以满足国内任何厂家的生产要求。因此在口径上再选大是完全没有必要的。
4.2阀门管路的配置和阀门的工度控制要求
如图6所示放氨阀采用侧进底出方式配管。所有管道及配套阀门口径均为Dn15。因为合成工段内管道时有触媒颗粒及污物，调节阀的孔径小，非常容易堵塞。因此，设置有专用的高压过滤器。
发送图片到手机，此主题相关图片如下：
图6采用侧进底出方式配管的放氨阀
正常使用条件下调节阀前后的二个截止阀必须完全敞开，以保证压力全部降在调节阀上。而截止阀上几乎没有压降，截止阀也就不易损坏了。一旦需要检修，可以关闭而不会因泄漏而无法检修调节阀。旁路上的截止阀必须完全关死，因为普通截止阀根本没有防止气蚀的设计，也没有材料上的强化。使用以后的旁路截止阀会很快损坏，即使再关闭也避免不了泄漏。这时液位计处于下限仍然控制不了液位下降，往往让人认为是调节阀泄漏，其实不然。
当然，解决问题的根本办法是仿照放氨调节阀的原理，设计新的截止阀。
4.3常见故障现象及其处理办法
4.3.1堵塞和卡死
由于合成系统产生的油污，解媒颗粒及粉末、焊渣和其它金属悄总是存在，因此设置了过滤器。但是过滤器的容纳能力是有限的，因此过滤器通过固体物质的最大孔径设置为Ф2mm。大量可以通过调节阀的小于Ф2mm的颗粒和粉末都让其下泄，只拦截大于Ф2mm的物体。
可是对于那些某个方向上的尺寸小于Ф2mm，而其它方向上的尺寸又大于Ф2mm的个别小的颗粒（最典型的是无定形触媒颗粒）有可能越过过滤器。这种小颗粒可能卡在套筒的通流孔里，并且伸到套筒内使阀塞无法关闭。这种情况虽然极少发生，但是发生就得停止阀的使用，就要拆开清理才能排除故障。因此在氨分、冷交上应多想办法，尽可能不让污物通过自动调节阀这支管路。
4.3.2自激震荡
自激震荡一种存在于控制系统回路当中，另一种是存在于调节阀与阀门定位器所构成的小回路中。无论哪一种自激震荡都会造成阀门填料的急剧磨损，因此必须避免。
前一种情况发生的原因较复杂，要看系统当中的哪一个环节有问题，具体问题具体解决。这种情况本人在岳阳市化肥厂遇到过，由于处理不当，造成填料早期磨损。二个月左右填料漏氨，只好停止使用。其实阀芯仍然是完好的。
调节阀和阀门定位器构成的小的闭环当中也会发生自激震荡。原因是这个闭合回路的正向通道的各个环节都会发生相位移。当阀的膜头很小时，系统本身可能有的阻容校正环节不能克服足够多的相移，致使负反馈变为正反馈了，因而产生自激震荡。基于这个原因，所以设计中提出了小膜头阀与电气阀门定位器（特别是电П型）不适合配套，而应当采用电气转换器的问题。
5、结论
一种思路是防止二相流体的发生，道理上是无可非议的。但是，二相流的来湖泊有二个却只注意了一个。因此，想从根本上解决问题却根本解决不了问题；另一种思想是承认二相流发生不可避免，然后利用流体的特点，采取措施，避免二相流的后果。其效果相当明显。
放氨阀的使用寿命大幅度的延长是基于对损毁原因的正确诊断而达到的。采取的设防措施是综合性的，比较完备的，因而能够达到好的效果。