氣化爐氧氣切斷閥內(nèi)漏分析及改進(jìn)建議

孔慶元

(中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

氣化爐高壓氧氣切斷閥主要用于氧氣輸送管路以及氧氣吹掃管路快速關(guān)閉或者開啟。由于介質(zhì)是氧氣，具有助燃性能，閥門一旦發(fā)生熱量累積、泄漏等，容易引發(fā)燃燒甚至爆炸，從而會(huì)嚴(yán)重影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，因而氣化爐高壓氧氣切斷閥對(duì)閥門的密封性能、材料選擇、使用壽命等性能有非常嚴(yán)格的要求。

1 故障描述

1.1 事件經(jīng)過

某公司油制氫氣化爐裝置大修中更換了2臺(tái)高壓氧氣切斷閥，開車投用氣化爐時(shí)發(fā)現(xiàn)該閥門泄漏嚴(yán)重，對(duì)氣化爐生產(chǎn)運(yùn)行造成了較大影響。

1.2 故障閥門結(jié)構(gòu)介紹

該氣化爐高壓氧氣切斷閥操作工況： 壓力等級(jí)為ANSI900lb；閥前壓力為9.2 MPa；閥后壓力為9.18 MPa；關(guān)閉壓差為9.2 MPa；溫度為20 ℃。

1) 該閥門為流開型，采用平衡式閥芯，閥門開啟后，介質(zhì)通過閥座通道后經(jīng)開窗式壓套籠流出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高壓時(shí)不用考慮高壓差對(duì)調(diào)節(jié)的影響。

2) 平衡密封環(huán)有2個(gè)反向的U型金屬膨脹環(huán)(彈簧)，如圖1所示，開口方向1個(gè)向上、1個(gè)向下，該設(shè)計(jì)能確保介質(zhì)無論從閥前還是閥后進(jìn)入，平衡密封環(huán)都能起到很好的密封作用。密封原理： 當(dāng)高壓介質(zhì)進(jìn)入U(xiǎn)型環(huán)內(nèi)時(shí)撐開U型環(huán)密封，確保2個(gè)U型環(huán)中有1個(gè)能起到密封作用。

3) 為了保證閥門泄漏等級(jí)達(dá)到Class VI，該閥門采用金屬支撐的軟密封結(jié)構(gòu)，即在軟性材料的旁邊有金屬限位平面。閥芯軟密封環(huán)通過螺紋壓緊在閥芯體上，閥芯和閥座之間通過斜錐面密封，有效密封寬度4 mm左右。該閥門閥芯頭部帶18 mm左右延伸段，該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：

a) 閥芯導(dǎo)向性好。延長的閥芯根部和閥座之間的間隙比較小，小于閥芯和套筒之間的間隙，使得閥門關(guān)閉時(shí)能確保閥芯和閥座的相對(duì)位置。

b) 閥門開啟瞬間保護(hù)軟閥芯密封面。閥門開啟瞬間閥芯頭部和閥座之間的間隙小于軟閥芯和閥座之間的間隙，使得閥芯延長段和閥座之間的介質(zhì)流速遠(yuǎn)大于軟閥芯和閥座之間的介質(zhì)流速，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)閥門軟密封面的作用。

圖1 平衡式閥芯結(jié)構(gòu)示意

2 氧氣切斷閥泄漏原因分析

2.1 初步分析

1) 該閥門采用金屬支撐的軟密封結(jié)構(gòu)，軟密封材料被過分?jǐn)D壓而導(dǎo)致密封失效。

2) 閥門關(guān)閉時(shí)，所有壓力全部作用在平衡密封環(huán)上，而密封環(huán)由VI-PTFE/EPDM /PTFE等非金屬材料制成，由于軟密封材料不耐高溫， 一般低于200 ℃，在閥體內(nèi)容易損壞，從而導(dǎo)致閥門泄漏。

3) 閥芯密封圈為斜面密封，螺紋套固定在閥芯上，密封面很窄，定位長度淺，加工或安裝稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致密封面出現(xiàn)不完全吻合現(xiàn)象，從而導(dǎo)致閥門泄漏。

2.2 深入分析

為進(jìn)一步梳理閥門故障原因，采用故障樹分析法(FTA)分析閥門可能出現(xiàn)的泄漏原因，分析過程如圖2所示。

圖2 針對(duì)閥門泄漏采用FTA法分析流程示意

1) 通過分析，如圖2中A～E，閥門共有5處泄漏點(diǎn)，得出11個(gè)可能導(dǎo)致閥門泄漏的問題項(xiàng)。其中1，5問題項(xiàng)在每個(gè)單元都有可能產(chǎn)生，該問題對(duì)于1臺(tái)合格新閥來說基本上不會(huì)存在，當(dāng)閥門拆檢維修時(shí)，更換閥門零部件特別是纏繞墊片時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)該類問題。

2) 2，4，6，9，11問題項(xiàng)主要涉及密封比壓和操作密封條件問題，該閥門因采用纏繞墊片易出現(xiàn)密封比壓不足問題。正常工況下，無論是靜態(tài)密封還是動(dòng)態(tài)密封，要達(dá)到預(yù)密封條件，如2個(gè)法蘭要想達(dá)到密封要求，其法蘭面表面無論采用何種加工方式，從微觀看法蘭表面都是凹凸不平的，要使其達(dá)到密封效果必須用相對(duì)軟的材料被壓縮變形填補(bǔ)凹凸不平處，從而達(dá)到預(yù)密封效果。墊片單位面積上的壓緊力即為密封比壓，達(dá)到密封比壓的密封面，在內(nèi)壓作用下，由于壓力的軸向作用會(huì)使密封面產(chǎn)生分離，出現(xiàn)微縫隙，管道內(nèi)介質(zhì)有可能通過縫隙產(chǎn)生泄漏。為保證密封，必須使墊片與密封面間保持足夠大的流體阻力，只有當(dāng)阻力大于介質(zhì)內(nèi)外壓差引起的推動(dòng)力時(shí)，墊片方能有效密封而不產(chǎn)生泄漏。由于該閥門采用套筒閥門結(jié)構(gòu)，內(nèi)部密封共設(shè)有一大兩小3個(gè)纏繞墊片，其中2個(gè)小纏繞墊片關(guān)聯(lián)閥座溝槽深度、套筒高度、閥體高度3個(gè)數(shù)值，極容易出現(xiàn)累計(jì)誤差從而導(dǎo)致2個(gè)小纏繞墊片壓縮量不足而產(chǎn)生泄漏。

3) 3，7，8問題項(xiàng)基本都是在閥門投運(yùn)后或維修后才有可能產(chǎn)生的現(xiàn)象。其主要原因有：

a) 管道內(nèi)有雜質(zhì)，閥門動(dòng)作時(shí)易擦傷、夾傷閥芯或閥芯導(dǎo)向面，受損擦傷的閥芯導(dǎo)向面長期上下動(dòng)作，從而拉傷平衡密封環(huán)。

b) 閥門打開瞬間管道內(nèi)介質(zhì)沖擊閥芯，閥芯承受較大的側(cè)向力，推動(dòng)閥芯向套筒一側(cè)靠近，如長期動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致閥芯導(dǎo)向環(huán)一側(cè)磨損嚴(yán)重，引起導(dǎo)向環(huán)和套筒之間間隙增大，使得平衡密封環(huán)的一側(cè)壓縮量增大，從而導(dǎo)致磨損增大造成平衡密封環(huán)損壞。

2.3 原因鎖定

該閥門平衡密封環(huán)材料一般為PTFE加碳纖維或者PTFE加玻璃纖維，該材料最大壓縮量一般小于20%，不同于日常使用的O型圈可壓縮量超過40%。對(duì)于使用O型圈密封技術(shù)的密封接觸面一般粗糙度為Ra3.2即可，而使用平衡密封環(huán)的接觸面粗糙度小于Ra1.6，因而O型圈變形所需的力遠(yuǎn)小于平衡密封環(huán)。從該案例中可以看出平衡密封環(huán)上即使是微拉痕，由于平衡密封環(huán)無法像O型圈那樣有較大的壓縮量，且可以任意變形，平衡環(huán)的變形只能補(bǔ)償有一定面積的擦痕，即擦痕大也有可能不漏，小擦痕反而非常容易引起閥門泄漏。

在線解體閥門發(fā)現(xiàn)軟密封閥芯損壞，閥芯外表面有輕微的拉傷痕跡，重新更換該閥閥芯備件后，閥門泄漏仍超標(biāo)?？紤]該閥門閥體和管道是焊接的，解體所有閥門內(nèi)件，重新配做閥體測試內(nèi)件，測試采用分級(jí)測試，重點(diǎn)檢測可能存在的5處泄漏點(diǎn)中如圖2所示的B，C兩點(diǎn)。測試維修時(shí)采用密封堵頭堵住閥芯的平衡孔，使閥門成為單座閥結(jié)構(gòu)，多次測試閥門都為零泄漏，而當(dāng)拆除平衡孔堵頭，閥門泄漏立即超標(biāo)，從而可以判斷閥門泄漏主要存在于閥門平衡密封環(huán)處。

3 改進(jìn)建議

分析圖2中能夠?qū)е麻y門泄漏的A～E問題項(xiàng)，如果是為了解決閥門泄漏問題，所選用閥門的泄漏點(diǎn)即密封點(diǎn)數(shù)越少越好。從Globe閥門本身考慮，由圖3非平衡式閥芯內(nèi)件結(jié)構(gòu)可以看出非平衡式軟密封單座閥泄漏點(diǎn)最少，該單座閥為非平衡結(jié)構(gòu)，無平衡密封環(huán)。非平衡式軟密封單座閥的理論泄漏點(diǎn)有3處，比平衡式套筒閥的減少了2處，從而可以避免平衡密封環(huán)的泄漏問題。

當(dāng)閥門結(jié)構(gòu)是非平衡式軟密封單座結(jié)構(gòu)時(shí)，閥芯導(dǎo)向在閥門套筒內(nèi)且全行程導(dǎo)向，從而可以保證閥門打開的時(shí)候介質(zhì)在閥芯側(cè)向流動(dòng)，該處閥芯外表面不參與密封。軟密封閥芯鑲嵌在閥芯體內(nèi)，閥芯密封面在凹槽底部，閥座密封面使用的是一個(gè)凸臺(tái)，兩者接觸時(shí)為平面密封。當(dāng)閥門關(guān)到底部處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閥座的凸起表面嵌入軟密封環(huán)中，該處的密封材料變形包圍住閥座凸起表面，由此確保可靠的密封效果，同時(shí)閥桿也不用承受過大推力。由于整個(gè)密封墊片鑲嵌在凹槽內(nèi)，可以使得閥芯閥座接觸后的軟密封材料PTFE變形得到有效控制，從而保證閥芯閥座在有效行程內(nèi)密封可靠。

圖3 非平衡式閥芯內(nèi)件結(jié)構(gòu)示意

由于閥門從平衡式更改為非平衡式，閥芯的不平衡力將會(huì)增大，導(dǎo)致閥門開關(guān)時(shí)所需要的推力增大，閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)需更改為大尺寸活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)束語

化工裝置氣化爐氧氣切斷閥選型對(duì)于氣化裝置的安全運(yùn)行非常重要，本文通過分析，同時(shí)結(jié)合該裝置氣化爐氧氣切斷閥實(shí)際使用情況，選用GLOBE閥門作為氧氣總管切斷閥時(shí)，應(yīng)該從閥門本身最小泄漏點(diǎn)出發(fā)，并要考慮閥門在線維修方便等因素，盡量選擇非平衡式單座閥結(jié)構(gòu)；如果閥門的口徑過大，建議選擇先導(dǎo)式平衡閥芯結(jié)構(gòu)，盡量避免使用平衡密封環(huán)。