風(fēng)門(mén)密封的特征和失效問(wèn)題的分析

孔慶民

摘要：風(fēng)門(mén)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作粗糙，但在密封工作方式、工作環(huán)境、密封面間流體的流動(dòng)、密封面面積比、變形問(wèn)題、密封間隙和流體靜壓效應(yīng)等方面均有其自身的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：插板式關(guān)斷風(fēng)門(mén)；內(nèi)密封；密封間隙；泄漏量；失效

概述

火力發(fā)電站鍋爐常用風(fēng)門(mén)的形式有多種，從功能上來(lái)分有兩類(lèi)：調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)和開(kāi)關(guān)風(fēng)門(mén)（或稱(chēng)為關(guān)斷風(fēng)門(mén)）。從使用者的角度考慮，大多認(rèn)為插板式的風(fēng)門(mén)密封性能優(yōu)于其它形式，因此現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多，尤其在參數(shù)較高的系統(tǒng)。這種風(fēng)門(mén)的插板與風(fēng)門(mén)外殼體（可視為風(fēng)道的組成部分）的間隙存在兩個(gè)方向的泄漏：向大氣環(huán)境的外漏和沿介質(zhì)流動(dòng)方向的內(nèi)漏。本文結(jié)合一般機(jī)械密封的要求僅討論這種風(fēng)門(mén)的內(nèi)密封（或內(nèi)漏）問(wèn)題。

1.插板風(fēng)門(mén)的密封特征

1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與通常的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)不同，風(fēng)門(mén)的結(jié)構(gòu)一般較為簡(jiǎn)單，多為鉚焊的結(jié)構(gòu)形式。密封面一般采用型材制作，很少有機(jī)械精加工面，表面粗糙。插板與周?chē)蚣艿纳舷露嗣嫘纬擅芊飧?，密封面間隙填充石棉盤(pán)根實(shí)現(xiàn)密封面間的密封。普通的機(jī)械密封，《機(jī)械密封技術(shù)條件》（JB4127-85）中對(duì)密封面的各項(xiàng)技術(shù)條件都有明確的規(guī)定，其中密封面的平面度不大于0.9um，金屬材料的表面粗糙度為0.2um，非金屬表面的粗糙度為0.4um。通常的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜。與此相比，風(fēng)門(mén)的密封結(jié)構(gòu)就簡(jiǎn)陋得多。

1.2 密封的工作方式

通常的機(jī)械密端面密封應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的軸系，由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成一對(duì)密封副。正常工作時(shí)動(dòng)環(huán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)門(mén)的密封只需要考慮關(guān)閉狀態(tài)下防止壓力介質(zhì)的流通，密封面之間處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，風(fēng)門(mén)的密封問(wèn)題較轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的機(jī)械端面密封簡(jiǎn)單得多。

1.3 工作環(huán)境

風(fēng)門(mén)的密封介質(zhì)壓力一般不是很高，熱風(fēng)最高壓力約20kPa，循環(huán)流化床鍋爐的高壓流化風(fēng)壓力約50kPa，煙氣則略呈負(fù)壓。但是介質(zhì)的溫度很高，熱風(fēng)溫度約300℃，煙氣則隨位置的不同溫度在100～600℃不等。這與通常的機(jī)械端面密封有所區(qū)別。機(jī)械端面密封的工作介質(zhì)壓力較高，但溫度較低[1]。

1.4 密封面間流體的流動(dòng)特點(diǎn)

雖然風(fēng)門(mén)的密封工作方式與通常的機(jī)械端面密封相比較為簡(jiǎn)單，但仍然可以引用機(jī)械端面密封的相關(guān)理論，因?yàn)樗鼈兺瑢儆谡承粤黧w的窄縫流動(dòng)問(wèn)題。由于風(fēng)門(mén)間隙相對(duì)于密封周界小的多，相對(duì)于密封面寬度也小很多，因此，風(fēng)門(mén)間隙內(nèi)的流體流動(dòng)可視為無(wú)限寬平板間的楔狀定常流動(dòng)。

1.5 密封面面積比

密封流體作用的有效面積A2等于插板的面積，密封面面積等于插板在風(fēng)門(mén)邊框槽內(nèi)的面積Af，面積比B2=A2/Af。顯然B2大于1，風(fēng)門(mén)的密封方式屬于非平衡式密封。

1.6 變形問(wèn)題

由于風(fēng)門(mén)結(jié)構(gòu)的特殊性，在關(guān)斷狀態(tài)下，插板承受著較大的壓力：pA2，p為密封流體壓力。與其它機(jī)械密封相比，A2要大得多。因此pA2是密封面載荷的主要組成部分。風(fēng)門(mén)密封面溫度相對(duì)均勻，雖然溫度較高，因無(wú)沿密封面溫度梯度，也就不存在該方向形變的差異問(wèn)題。但是，高溫的作用降低了插板材料的強(qiáng)度，使其因壓力作用產(chǎn)生形變的量被放大。與冷態(tài)時(shí)相比，插板因壓力作用將產(chǎn)生沿流體壓力作用方向上的形變，從而對(duì)密封面間隙的形狀產(chǎn)生了影響。

2.密封失效問(wèn)題分析

2.1 失效的判據(jù)[1]

密封泄漏量多大才算失效，這很大程度上取決于被密封介質(zhì)性質(zhì)和密封的工作環(huán)境，并沒(méi)有一個(gè)定量的標(biāo)準(zhǔn)。一般認(rèn)為，當(dāng)泄漏量為理論值的250倍時(shí)，該密封一定不正常。對(duì)于風(fēng)門(mén)而言，能接受的最大泄漏量以不影響其它系統(tǒng)或設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)為限。如磨煤機(jī)熱風(fēng)門(mén)的漏風(fēng)量導(dǎo)致磨煤機(jī)內(nèi)部溫升不能超過(guò)磨煤機(jī)的啟動(dòng)溫度限制，否則就認(rèn)為密封失效，或風(fēng)門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)。

2.2 泄漏量的理論計(jì)算

從實(shí)質(zhì)上說(shuō)，風(fēng)門(mén)密封屬于非接觸式。按照機(jī)械密封理論其密封面的“摩擦狀態(tài)”屬于“流體潤(rùn)滑狀態(tài)”。通過(guò)平行平面縫隙壓差流產(chǎn)生的泄漏量可根據(jù)流體力學(xué)縫隙流動(dòng)導(dǎo)出。兩種縫隙下的

對(duì)比兩個(gè)公式不難看出，在其它條件相同時(shí)，無(wú)論h2>h1（收斂間隙）還是h22.3 密封失效原因分析

風(fēng)門(mén)在應(yīng)用中出現(xiàn)密封失效的問(wèn)題，究其原因大致有如下三個(gè)方面：

2.3.1難以做到接觸式密封

按照機(jī)械密封對(duì)接觸面的要求，密封面間隙約在0.5～1um。而在風(fēng)門(mén)中的密封間隙約是這一數(shù)值的100～1000倍，即密封處于開(kāi)啟狀態(tài)。

制造加工過(guò)程中精度較差，密封面間隙過(guò)大，達(dá)不到密封要求。雖然在密封面間會(huì)填充一些石棉類(lèi)物質(zhì)以求達(dá)到密封面的緊密接觸，但由于其強(qiáng)度太差，在風(fēng)蝕的作用下這些物質(zhì)難以持久，最終造成了密封面被打開(kāi)，泄漏量過(guò)大，密封失效。

2.3.2收斂形密封面

如2.2所說(shuō)，應(yīng)盡量遵循平行面原則以降低泄漏量。根據(jù)1.6的討論，在壓差的作用下插板總會(huì)產(chǎn)生沿流動(dòng)方向的變形，使風(fēng)門(mén)密封面間隙呈收斂形，從而使得泄露量加大。

2.3.3風(fēng)門(mén)的動(dòng)作誤差

熱風(fēng)和煙氣中含有一定量的灰塵，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，這些灰塵會(huì)在插板通道內(nèi)沉積下來(lái)。隨著灰塵量增加，可能會(huì)堵塞插板通道。這樣風(fēng)門(mén)在關(guān)閉時(shí)動(dòng)作不完整，關(guān)不到位，形成縫隙，造成泄漏。

3.小結(jié)

風(fēng)門(mén)密封屬于靜態(tài)接觸式密封，其流體流動(dòng)屬于粘性流體的窄縫流動(dòng)，與普通機(jī)械端面密封相比，無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是在密封機(jī)理上都要簡(jiǎn)單得多。高參數(shù)是機(jī)械密封發(fā)展的方向。因此，不論設(shè)計(jì)制造方還是應(yīng)用方都很少有人關(guān)注風(fēng)門(mén)一類(lèi)設(shè)備的密封問(wèn)題。風(fēng)門(mén)密封雖然簡(jiǎn)單，仍有自身的一些特點(diǎn)，應(yīng)用中也已經(jīng)出現(xiàn)了影響系統(tǒng)或設(shè)備正常啟動(dòng)的密封失效問(wèn)題。因此，對(duì)風(fēng)門(mén)的密封問(wèn)題應(yīng)該給與一定的關(guān)注，結(jié)合其應(yīng)用特點(diǎn)做專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)，以保證其密封的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.7.