好好的蒸汽疏水阀 - 为什么无法正常工作呢？

作者: James R. Risko

出版商: Chemical Engineering Progress, April 2015, p. 27-34.

此文章由TLV Shanghai翻译，以释义英语原文

参考原文可点击此链接

即使一台相对较新的蒸汽疏水阀在貌似正常的工况下，也会因为使用不当而失效。本文将教会大家如何识别、避免导致疏水阀失效的情况。

蒸汽加热是目前生产工艺供热最有效、最经济的途径；疏水阀正常运行，完全排除系统中的冷凝水，可大大加强蒸汽系统的稳定性。冷凝水一旦形成即刻排除是确保系统达到最高性能的关键因素。

冷凝水从蒸汽系统中设置的冷凝水疏水点（CDL）排出， CDL是由一系列管道和阀门组成，其中最关键的就是疏水阀。未能成功排除的冷凝水将汇聚到蒸汽配管中，被蒸汽带入到下游管道，时速甚至超过160km/h；如此高速流动的冷凝水将导致严重的冲蚀和系统水锤，并可能最终转化成严重的安全事故或设备损坏，或最低限度有可能造成法兰、管道或者阀门泄漏。

遗憾的是，现在很多工厂都没有建立疏水阀年检制度。一次最基础的疏水阀检测就能了解厂内所有疏水阀的运行状况，并对疏水阀进行标识，表明当前运行状态是良好或故障；更进一步的细分，故障疏水阀又可以分为低温故障和高温故障。可能由于疏水阀堵塞，或系统内部介质出现异常低温，或疏水阀温度很高，但需疏水的设备本身温度很低，总而言之，冷凝水没有完全排除是导致低温故障的原因；与之相反，排出冷凝水的同时泄漏蒸汽，即所谓的高温故障。从安全生产和可靠运行角度出发，每个工厂都应设定运行状态良好疏水阀数量的最低值。

由于损坏、杂质堆积、磨损、使用或安装不当等原因造成的疏水阀失效会导致故障的发生；特别是当一台刚换上去的疏水阀转眼又发生故障，往往会让维保或操作人员倍受打击，并随之产生一个疑问：“为什么明明好好的疏水阀却无法正常工作？”

其实，一台崭新、正规厂家生产的疏水阀无法正常工作的原因有很多种，究其主要原因不外乎使用不当。本文将列举部分原因，阐述如何辨识潜在的问题，如何采取相应的措施避免类似问题的产生。

低温故障

低温故障，即无法及时排除系统中的冷凝水，在待修复的疏水阀故障类型中优先度最高。这是因为，低温故障的背后往往藏着重大事故隐患（1）。造成正常疏水阀低温故障的原因如下：

• 负压差
• 选型偏小
• “滞流”工况
• 疏水阀前端有提升管或水平管过长导致的蒸汽绑
• 群组疏水
• 串联疏水
• 压力阻塞
• 低温设定值错误
• 高背压
• 疏水阀反装
• 杂质堵塞
• 疏水阀不能排放空气
• 切断或隔离

负压差，选型过小，“滞流”工况的介绍

蒸汽疏水阀在正压差下可以排放冷凝水，而压差为零或负压差时无法排放冷凝水；疏水阀选型偏小将导致疏水能力不足，无法完全排除冷凝水；这些基本原理简单易懂。

当用汽设备或伴热操作配置控制系统时，冷凝水的排放就有点复杂了。比如，控制阀前端的蒸汽供汽压力为1.0 MPaG，设备背压为0.2MPaG，通过控制阀的开度调节供应热量和需求热量的平衡。由于控制阀的调节动作或背压的影响，疏水阀两端的压差会发生波动，有可能形成“滞流”工况（图2），常见于带有控制系统的管壳式换热器。发生滞流的设备，控制阀频繁、快速启闭带来的热力、水力冲击，将在设备内造成水锤（图3）。

当控制阀降低供汽压力，维持疏水阀两端正压差也会造成另一种情况，即，疏水阀两端的压差降低至某个点，无法满足完全排除设备内冷凝水，这种情况（如：正压差，但压差过小）类似静压力下疏水阀选型过小。故，采用入口控制阀或调节阀的用汽设备疏水阀选型时，强烈推荐应先就全工况或换热需求进行分析，以选出合适的型号。

蒸汽绑

蒸汽疏水阀最基本的功能是排除冷凝水的同时阻断蒸汽。当发生蒸汽堆积在冷凝水和疏水阀之间，并充满疏水阀，疏水阀的第一动作是关闭，以防止蒸汽泄漏，由此造成所谓的“蒸汽绑”；蒸汽绑现象常见于垂直提升管或疏水阀安装在距离冷凝水源过长的工况下。

提升管造成的蒸汽绑——如图4所示，疏水阀前端从冷凝水源头到疏水阀之间带有一段垂直的提升管；一旦初始冷凝水被排除后，蒸汽迅速充满垂直管和疏水阀，疏水阀随即关闭。设备中的冷凝水持续产生，但疏水阀内充满了蒸汽，冷凝水无法流入，疏水阀也始终处于关闭状态；由此，疏水阀处于蒸汽绑关闭状态，换热器因无法及时排除冷凝水造成温度下降或热分层，疏水阀本体确实热的。这就是由于蒸汽绑导致的蒸汽换热器系统低温。

疏水阀前端有提升管，特别是当提升管的口径较大时，容易发生蒸汽绑；任何需要在疏水阀前端设置提升管的工况都应进行仔细分析、提出相关解决方案——比如：采用小口径提升弯管设计，开孔用于排空或安装专门的汽绑释放阀——防止蒸汽绑的发生，否则，即便疏水阀本身温度很高，疏水点（CDL）却仍无法有效排除冷凝水，导致设备低温故障。

疏水阀前端水平管过长导致的蒸汽绑——如果疏水阀安装距离冷凝水源头过长（水平），也会发生类似的蒸汽绑现象（图4b）。有时往往因为设备出口没有足够空间安装疏水阀，不得不把疏水阀安装在距离设备很远的地方，或是从便于维修等原因考虑，又或某个有特别要求的区域不允许现场安装疏水阀。

疏水阀水平引管过长导致的蒸汽绑，因蒸汽被锁在阀体内，疏水阀本身温度可能很高，但冷凝水因无法得到及时排放，可能从疏水阀入口处开始积存一直到用汽设备，导致设备低温。冷凝水的比容相对比较小（约0.001 m³/kg），在疏水阀和设备间的管道内占据空间很小，即便设备产生的冷凝水量再大，蒸汽都能轻易流经冷凝水上方进入疏水阀，使疏水阀关闭。

为了使疏水阀达到最佳性能，应尽可能把疏水阀安装在靠近设备的位置；如实在无法靠近设备，最简单的解决方案是在疏水阀的前端安装一个直落的集水管，这个直落的集水管就像在疏水阀入口处搭建了一座桥，利用冷凝水管和疏水阀入口的落差，把冷凝水引到疏水阀内，解决因水平长距离引管导致的蒸汽绑。

还有第三种方法是在疏水阀本体上或疏水阀入口端安装平衡管，迫使锁闭在疏水阀内的蒸汽回流至蒸汽管线中。

群组疏水

收集多个用汽设备的冷凝水汇于同一条冷凝水管，并只使用一台疏水阀进行疏水的现象称之为“群组疏水”。现场使用群组疏水不外乎空间限制（实际或主观以为）、降低安装成本的考虑，实际上恰恰相反，群组疏水的经济划算仅仅是一种假象，大多数情况下，群组疏水的设备间存在压差和短路现象，将极大地限制换热设备的性能。

采用群组疏水的工况很难找出疏水阀本身问题。表面上看起来，疏水阀运行情况良好——疏水阀本体温度很高，也没有泄漏蒸汽，但，安装了疏水阀的换热设备经常遭受热分层现象，这种情况下，该疏水阀应标识为低温故障。

如图5所示为四层盘管式空气加热器，冷空气经过第一层加热器时吸收的热量最多，产生的冷凝水也最多，蒸汽一旦冷凝，盘管内的蒸汽压力相应降低；加热后的空气到达最后一层加热器时温度升高，吸收的热量减少，冷凝水量相对较少，盘管的压降相应也较小。即便四层盘管式加热器的入口压力保持不变，第一层盘管入口与出口的压降也将大于第四层盘管处，这种压力的不平衡会最终导致短路现象，第二、第三层盘管的出口压力也可能比第四层盘管出口低；这将造成明显的热分层现象，减低盘管的换热性能。

多个用汽设备共用一台疏水阀的群组疏水，大大地降低了设备的换热性能，设备无法达到最高性能运行，其实质是一个昂贵的设计理念；为每层盘管换热器安装单独的疏水阀才是真正低成本、正确的解决方案。

串联疏水

串联疏水指的是在一个疏水阀后再安装第二个疏水阀的情况（如图6），有时这样做的初衷只是作为主疏水阀故障后的临时补救措施，或是作为主疏水阀故障后的备用疏水阀。看上去串联安装两台疏水阀能起到双保险的作用，其实，这样做的结果将导致疏水阀堵塞，以及其它本因通过疏水阀疏水的设备积水。

串联疏水有两个原因会导致低温故障：

• 生蒸汽或第一台疏水阀产生的闪蒸汽进入第二台疏水阀，造成第二个疏水阀关闭
• 原先的压差被分配到两台疏水阀上，导致第二台疏水阀因压差不够无法无法满足疏水需求

第一台疏水阀发生泄漏，或即便正常运行时，因压差的存在，其排放的冷凝水发生闪蒸，会导致：

• 系统背压升高
• 第二台疏水阀关闭，影响冷凝水流动
• 设备积水（由于冷凝水无法有效排除），可能发生水锤

本应一台疏水阀两端的压差被分配到两台串联的疏水阀上，如果压降不足以克服背压，冷凝水将在第一台疏水阀入口处开始积存。为了避免发生此类情况，串联的两台疏水阀的选型都应偏大一点；如果系统背压较高，其中一台的选型必须足够大才能满足小压差情况下冷凝水的排放。

如果顾虑疏水阀故障的维修或更换，应以库存的备用疏水阀进行及时的更换。另外，在蒸汽疏水阀的入口和出口端安装截止阀便于快速、简单地更换，如果能安装一个直接通到工厂排水系统的旁通阀就更完美了。如果关键工艺设备确实需要备用疏水阀，可以考虑并联而非串联安装，以备不时之需。

压力阻塞

当蒸汽疏水阀阀头的设置在阀座的入口端时（图7），热动力学原理作用下，阀头可轻易关闭疏水阀自动开启装置；此类疏水阀自有一套机械优势来克服作用在阀头上、促使阀门关闭的蒸汽压力。比如，以密度差（即蒸汽和冷凝水的密度差）原理运行的疏水阀——浮球式或倒吊桶式疏水阀，当阀头（浮球或吊桶）的浮力克服关闭阀门的作用力时，疏水阀打开，冷凝水开始排放；当然这套机械优势只能在疏水阀名义最高操作压力（PMO）和最大压差（PMX）下才能得以发挥。

即使疏水阀在其PMO/PMX规定范围内运行，也会碰到管线压力的上升，例如，锅炉供汽压力上升同时系统某些位置用汽需求降低，或系统背压下降，当疏水阀运行的实际压差超过额定PMX时，其机械机构再也无法打开阀门，疏水阀将处于低温故障状态，即使换一台同型号新的疏水阀，同样的问题还是无法避免。这种情况下，寻找PMX更高的疏水阀型号才是正确的选择。实际工况超出PMX的情况并不少见——比如，如果不熟悉系统操作压力及其压力波动情况贸然选型，往往会导致这种情况的发生。

阀头位于出口位置的疏水阀没有这个困扰，入口端的蒸汽压力促使阀门打开，压差越大，阀门开度越大——随之，当实际压差超过疏水阀额定PMX时，疏水阀将无法关闭，造成高温故障（泄漏）。

低温设定值错误

双金属疏水阀（和膨胀型热静力疏水阀）的反应通常会有一定的延时，所以此类疏水阀启动温度设定值应远低于饱和蒸汽温度（图8），防止生蒸汽被吹入冷凝水回收管。取决于具体的系统压力和回收背压，通常这个设定值小于饱和蒸汽温度10°C。

组成双金属的金属片或金属盘会感应温度变化发生膨胀或收缩，相应的打开或关闭疏水阀。当冷凝水的温度高于疏水阀的设定值时双金属的变形最小，确保疏水阀关闭；当冷凝水降温至设定温度时，双金属逐渐变形同时打开疏水阀，冷凝水得以缓缓排出。

取决于实际疏水需求，冷凝水首先会在疏水阀入口处积存，并持续降温，进而冷凝水量也随之增加；双金属在感应额外过冷的同时持续弯曲，疏水阀的开度逐渐增加，冷凝水排量随之增加，直到疏水阀完全打开，冷凝水全量排放；达到全开状态需额外过冷大概10°C，也就是说，过冷至低于饱和蒸汽温度38°C。

如果疏水阀启动温度设定得过低，疏水阀会提前关闭，随后双金属需要感应更高的过冷度进行变形，完全打开阀门。

高背压

很多双金属疏水阀和部分压力平衡式热静力疏水阀都有下游阀头的设计，即阀头在阀座的下游，高背压把阀头向阀座方向推动；如果动态的系统状况引起背压上升的同时，也从下游方向增加闭阀力，最终疏水阀将提前关闭，导致低温故障。

取决于冷凝水负载和具体工况，疏水阀的前端需要足够长的储备管道以使冷凝水达到所需的过冷度——有时甚至长达40ft或以上。考虑到系统中积存冷凝水存在很大的水锤或人员伤害隐患，现场往往无法做到留出那么大的空间用于存放过冷的冷凝水。考虑到蒸汽管线中存在大量的冷凝水，此类疏水阀不推荐用于主管或工艺疏水，而适用于低温伴热或仪表伴热的场合。如果冷凝水积存到距离疏水阀较远，甚至延伸到用汽设备，就形成了低温故障。

疏水阀反装

疏水阀阀体上标示的箭头指向疏水阀下游，即流体的流向，按照箭头方向安装疏水阀看上去很简单，但实际上我们经常在现场看到疏水阀反装的现象。

带有下游阀头的疏水阀或内置止回阀的疏水阀（如双金属疏水阀）装反时，入口蒸汽压力压住阀门关闭，造成低温故障。密度差动作原理的疏水阀和热动力疏水阀没有反向安装阀门关闭的设计，所以，一旦装反，通常都会导致高温故障而不是低温故障。

杂质堵塞

集水井应该定期吹扫——如系统开机、停机、新装一台疏水阀前后等都应及时吹扫。如果维保、现场或承包商不进行这样的操作，就会导致杂质堆积并积存在新的疏水阀里，造成阀门堵塞。

系统运行一段时间后，冷凝水不可避免地夹带着氧化铁、铜离子等，久而久之，这些杂质将堆积在阀座口，导致阀门无法完全关闭，这就造成了高温故障（即泄漏，如图10）。有时，当冷凝水流经阀嘴发生闪蒸时，其中携带的部分不凝性物质将从闪蒸流体中分离出来，像金属一般牢牢地粘附在阀嘴上，不断堆积，最终造成疏水阀堵塞，导致低温故障。

不能排放空气

一些密度差原理或者热动力原理的蒸汽疏水阀不能排放大量空气，这将导致它们一旦遇上开机或管道中吸入（比如：破真空阀）的空气时，疏水阀将关闭。进入疏水阀内的不凝性空气将锁闭疏水阀，导致低温故障。

要避免这个问题，就要选择带排空气功能的疏水阀。热静力疏水阀有这个功能，把热静力疏水阀的这个功能结合到浮球、圆盘和倒吊桶式疏水阀中，使其同样具备排空气的功能。

切断或隔离

这类低温故障可能由以下两种情况中的一种造成：

情况1：一台新的疏水阀安装完成后，总是希望其能尽快投入使用，但，如果安装人员觉得使疏水阀投运的工作应由操作人员完成，而操作人员并未意识到这属于他们的工作范畴，随后，这个疏水点就会一直无法投运。

情况2：泄漏的疏水阀属于疏水阀的高温故障，虽然疏水阀在泄漏蒸汽，但起码同时还在排放着冷凝水，但如果现场人员出于堵漏而关闭这个疏水点，势必造成更严重的、更危险的低温故障。

高温故障

很多装置都将蒸汽疏水阀的高温故障——比如泄漏，作为最优先维保响应的对象。然而，高温故障所表现出来的安全问题和低温故障不尽相同，即便泄漏疏水阀排放性能低下，但最起码仍能从系统中排放冷凝水，而低温故障对系统或设备的危害就更大了。修复泄漏疏水阀的主要原因还是跟直接经济效益有关。造成疏水阀高温故障的原因如下：

• 疏水阀反装
• 安装方位错误
• 疏水阀选型过大
• 背压过高
• 不适用过热蒸汽
• 温度设定值错误

疏水阀反装

正如前文中探讨的，取决于不同的疏水阀类型，反装的疏水阀将导致低温故障，或高温故障。

密度差原理或热动力原理的疏水阀反装时，阀门机构将无法关闭，安装修正前将一直泄漏蒸汽。

安装方位错误

下文将从两方面阐述蒸汽疏水阀安装方位错误导致的高温故障。

密度差原理的疏水阀如果发生安装方位错误，阀门机构将无法关闭，就会发生蒸汽泄漏。如图11，水平型号的疏水阀如果采用垂直安装，将发生蒸汽吹放（蒸汽通过打开的阀门直接吹漏）；疏水阀上下颠倒安装也将导致吹放。

通常疏水阀的最佳安装方位为水平或垂直，即便可以任意方位安装的疏水阀，推荐的最佳安装方位的使用寿命最长。比如，对于圆盘式疏水阀而言，采用非最佳安装方位时，疏水阀将承受更频繁的启闭周期、更快速的内件磨损，从而缩短其使用寿命，并有可能短时间内发生泄漏的高温故障。

如图12所示，采用垂直安装的圆盘式疏水阀，其本意可能是系统停机后仍能协助疏水。事实上，这样安装的疏水阀，阀内的动作元件——圆盘处于垂直位置，疏水阀的使用寿命将缩短；而同样的疏水阀如果采用水平安装，其寿命将长得多。另一种形式的圆盘式疏水阀（双螺栓结构，万向连接方式，不论水平或垂直管线上安装，都能确保疏水阀本体始终处于水平位置）更适用于这种工况。

疏水阀选型偏大

除了浮球式疏水阀，其它形式的疏水阀，包括倒吊桶、热静力和热动力式疏水阀，如果选型偏大，其使用寿命将比正确选型的疏水阀短，寿命减短的结果就是高温故障。

技术上来说，如果一个选型偏大的疏水阀发生高温故障，就会被界定为不正常工作，而业主也会奇怪为什么看上去像新的一样的疏水阀使用寿命比预期短很多。

高背压

对于某些形式的疏水阀，高背压可能导致低温故障，对于另外一些形式而言，高背压可能导致高温故障。特别是热动力式疏水阀，在承受高背压时可能发生高温故障；大部分热动力式疏水阀的背压率小于80%（入口压力与出口压力的比值），更有甚者，背压率小于50%。对于热动力式蒸汽疏水阀而言，压差过小，圆盘下方建立不起足够的流速差，无法关闭阀门。当圆盘式疏水阀发生磨损或积垢后，其抗背压性能将持续下降。

选用圆盘式疏水阀时应特别注意背压在其允许范围内。

从另一方面说，下游阀头设计的双金属疏水阀一旦背压失压，就会发生生蒸汽吹放，这是因为对于下游阀头设计的疏水阀而言，背压是协助其关闭阀门的，一旦失压，疏水阀将在很长一段时间内处于开启状态。

不适用过热蒸汽

某些蒸汽疏水阀的设计不适用于过热蒸汽系统。

压力平衡式蒸汽疏水阀（如图13）液囊内热敏液体在进入的冷凝水温度逐渐接近饱和蒸汽温度时蒸发，液囊膨胀关闭阀门，阻止蒸汽泄漏；如用于过热蒸汽系统，一旦过热蒸汽温度超过其限值，液囊可能破损，填充液体外泄，最终导致蒸汽泄漏。

同样的，如果过热蒸汽温度超过双金属疏水阀的额定范围（比如杂质卡在阀座位置导致阀门无法关闭造成泄漏时），双金属元件更易发生疲劳损坏或不同层双金属剥离，如此将导致疏水阀无法关闭，泄漏大量蒸汽。

即使一个新的正常的疏水阀也会在过热蒸汽的高温下损坏而导致高温故障。不论更换多少次，如果还是一味更换新的同型号疏水阀，同样的损坏，同样的高温故障仍会发生。

倒吊桶式疏水阀的底部水位可以使吊桶浮起，关闭阀门；一旦冷凝水量不足，比如过热蒸汽工况或控制阀快速启闭时，吊桶将失去浮力掉落下来，导致蒸汽泄漏（如图14）。

温度设定值错误

上文中提到，双金属和热膨胀式的热静力疏水阀反应比较滞后，疏水阀开启温度设定值需比饱和蒸汽温度低很多（图8），如果设定温度过于接近饱和蒸汽温度，疏水阀就可能泄漏生蒸汽-高温故障。

当双金属元件长期使用发生疲劳时也会发生过冷度不足的情况。双金属元件的疲劳会导致温度设定螺丝变松，某种意义上降低了过冷度，升高了启阀温度，如果任由这种情况延续，最终将导致蒸汽泄漏。

结束语

几乎上述所有谈到的工况中（除了和疏水阀寿命缩短有关的工况）的疏水阀，在发生低温或高温故障前都是全新的，并完全符合生产厂家规定的性能要求。

一个有效避免这些问题方法就是实行蒸汽疏水阀年检，通过疏水阀年检来诊断所有疏水阀的运行情况，确定使用不当或安装错误的区域；也可以每年召开一次与装置内最佳形式蒸汽疏水阀厂家的研讨会，探讨装置内的疏水阀选型、安装等是否符合厂家的规范。

空气绑

蒸汽疏水阀管理介绍