閥門耐火密封結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

李偉，張建斌，楊玲玲，王曉鈞，李妍

（1.合肥通用機械研究院有限公司；2.合肥通用機電產(chǎn)品檢測院有限公司，安徽 合肥 230031）

閥門是石油化工生產(chǎn)工藝中重要的組成部分，很多重要工況均會使用到閥門，面對工況的特殊性，實際生產(chǎn)對閥門性能的要求十分嚴(yán)格，必須做到在火災(zāi)發(fā)生后依然能夠保持良好的密封性與啟閉性能。針對閥門做耐火密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要以國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計符合耐火試驗標(biāo)準(zhǔn)，只有經(jīng)過專業(yè)考核，才允許投入生產(chǎn)中使用，因此閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須強調(diào)耐火試驗的重要性，保證閥門耐火性能符合生產(chǎn)要求。

1 閥門耐火試驗常見問題

（1）閥門外密封泄露。閥門在接受耐火試驗超過30min情況下，閥體表面溫度可以達到680 ～980℃，而閥體內(nèi)部溫度則可以達到600℃以上，很容易燒毀密封件，法蘭與緊固件會受熱膨脹或者熱變形，導(dǎo)致閥門密封失效，泄露超標(biāo)。

（2）閥座密封泄露。在長時間的高溫條件下，閥門將會出現(xiàn)閥座燒毀、閥座與閥體脫離甚至閥座變形等問題，這對閥門結(jié)構(gòu)的密封性能影響甚大。

（3）閥門零件卡阻。閥門零件在高溫條件下會出現(xiàn)變形、膨脹以及應(yīng)力釋放，進而導(dǎo)致閥門卡阻，無法完成正常的啟閉或密封操作，導(dǎo)致閥體密封失效，無法滿足工況密封基本要求。

（4）局部閥體開裂。閥體介質(zhì)在高溫條件下會產(chǎn)生氣化，閥腔局部壓力急劇升高，最終造成閥體開裂出現(xiàn)泄露，無法達到專業(yè)密封標(biāo)準(zhǔn)。

2 閥門耐火試驗標(biāo)準(zhǔn)與要求

2.1 耐火試驗標(biāo)準(zhǔn)

閥門耐火試驗標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)外之間存在一定差異，且不同標(biāo)準(zhǔn)考核的閥門類型不同，常用標(biāo)準(zhǔn)如我國各種閥門耐火試驗系統(tǒng)及方法要求標(biāo)準(zhǔn)JB/T6899-1993；美國石油學(xué)會制定的標(biāo)準(zhǔn)ANSI/API607-2005，主要針對的是軟閥座1/4 轉(zhuǎn)閥門；API6FA-1999 針對的是管線閥門與井口裝置；API5FD-1995針對的為止回閥，以及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO 10497-2004 標(biāo)準(zhǔn)適用于各種閥門耐火試驗。

2.2 耐火試驗要求

（1）通用要求。國內(nèi)外各種閥門耐火試驗的標(biāo)準(zhǔn)雖然各不相同，但是，通用要求卻是大體一致的。排除止回閥以外，對于被測閥門閥桿必須要按照水平位置安裝在試驗管道上，且閥門需要在關(guān)閉狀態(tài)下被檢測。管道以及被測閥門體腔內(nèi)充滿水，且要求水壓達到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，然后，將氣體燃料點燃，促使燃燒的火焰能夠完全包圍被測閥門，尤其是在規(guī)定時間內(nèi)，閥體周圍的火焰溫度以及閥體各部位的溫度要達到設(shè)定溫度，并維持該條件持續(xù)燃燒30min 以上。試驗人員需要在燃燒期間檢查閥門的內(nèi)外泄露狀態(tài)，在火燒結(jié)束后同樣需要對冷卻后的閥門做內(nèi)、外泄露檢查。

（2）耐火試驗內(nèi)容：①火燒期內(nèi)泄漏。閥門火燒期內(nèi)泄漏即于規(guī)定試驗壓力下持續(xù)火燒過程中閥座產(chǎn)生泄露，常見于軟密封閥座的閥門。在持續(xù)火燒條件下，閥體溫度快速升高，軟密封閥座被軟化甚至?xí)耆刍?，這樣一旦閥座發(fā)生變形或者熔化，閥門便會出現(xiàn)內(nèi)泄漏。當(dāng)軟密封閥座完全熔化后，硬密封閥座無法保持良好的密封性，則在整個火燒期間均會持續(xù)發(fā)生內(nèi)泄漏。其中，相比軟密封閥座，硬密封閥座閥門的內(nèi)泄漏量更小。②火燒期外泄露。閥門火燒期外泄露即于規(guī)定試驗壓力條件下持續(xù)火燒過程中，閥體法蘭連接、螺紋連接以及閥桿密封等部位出現(xiàn)泄露。閥門在受到持續(xù)火燒后，其殼體、內(nèi)件以及緊固件等受熱將會產(chǎn)生變形，進而會造成閥體內(nèi)法蘭連接、閥體螺紋連接以及閥桿填料等部位產(chǎn)生外泄露。并且，閥門中腔內(nèi)積存的水會因為持續(xù)火燒而不斷升溫直至氣化，導(dǎo)致腔體內(nèi)壓力升高，在壓力泄放閥還未泄壓的情況下，各潛在外泄露處便有可能產(chǎn)生外泄露，情況嚴(yán)重的甚至?xí)绊懟馃囼灥睦^續(xù)進行。

2.3 冷卻后低壓試驗

冷卻后低壓試驗即在結(jié)束火燒后，對閥門進行強制冷卻，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低壓試驗壓力下，測得閥門內(nèi)泄漏與外泄露。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求試驗閥門壓力級超過Class600 的不進行低壓試驗。閥門在經(jīng)過火燒以及強制冷卻操作后，閥門各部件會因為溫度的驟然變化而產(chǎn)生形變，最后在經(jīng)過強制冷卻后，就會發(fā)現(xiàn)閥門出現(xiàn)內(nèi)泄漏和外泄漏。

2.4 操作試驗

操作試驗即在規(guī)定的試驗高壓下對閥門進行操作，將其由全關(guān)操作至半開或全開狀態(tài)，將管道內(nèi)部的蒸汽全部排除干凈后向管內(nèi)充滿水，且需要對下游管路進行封閉，最后，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高壓試驗壓力下對閥門的外泄露進行測定。其中，針對止回閥的操作試驗，是對試驗閥門的進、出口端壓力進行調(diào)節(jié)，促使閥瓣動作后，將管道內(nèi)部的蒸汽全部排除干凈后向管內(nèi)充滿水，同時，將出口端管路封閉后，于規(guī)定試驗壓力下對閥門的外泄漏進行測量。閥門在經(jīng)過火燒和強制冷卻以及高壓試驗壓力條件后進行操作，閥門裝配的各連接部位很容易產(chǎn)生外泄露。根據(jù)實踐經(jīng)驗總結(jié)可知，閥門外泄露主要受密封墊片類型、工藝尺寸、閥桿填料以及緊固螺栓選擇等因素影響，需要將其作為閥門耐火結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點分析。

3 閥門耐火結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

（1）密封材料選擇。通過對閥門進行耐火密封試驗可知，產(chǎn)生外泄露的部位主要包括閥桿填料密封、中法蘭墊片密封以及與其他外部接觸的密封部位；而產(chǎn)生外泄露的部位主要就是閥座密封。為有效改善閥門的耐火密封性能，在對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先，要做到的就是要選擇合適的密封材料，例如，閥體法蘭密封可選擇石棉類密封材料，其以石棉墊片或石棉橡膠板等形式密封，可滿足-100 ～500℃的工況條件；閥桿密封、閥座密封、閥體法蘭密封等則可以選擇適用橡膠類材料，以O(shè) 形圈、V 形圈以及各種墊片的形式密封，可滿足-30 ～150℃的工況條件；中高壓閥門以及密封要求高的閥門，則可以選擇石墨類材料，以石墨填料、石墨墊片以及各種增強類石墨密封件形式密封，能夠滿足-100 ～650℃的工況條件；對于溫度超過650℃工況中的閥門，密封則應(yīng)選擇復(fù)合類材料，以各種金屬類纏繞墊片的形式密封，確保密封性能可以達到實際工況要求。通過比較可知，石棉類、石墨類以及復(fù)合類密封件耐火性能更加優(yōu)越，可以用于石油化工閥門的常規(guī)密封或輔助密封，在進行閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以根據(jù)當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)和工況要求靈活選擇。

（2）密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。

①中法蘭。在進行閥門耐火結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要強調(diào)中法蘭的重要性，因為在閥門耐火試驗中，其實主要的外泄露點，據(jù)不完全統(tǒng)計，閥門中法蘭泄露可以占到總體泄露量的85%～97%。產(chǎn)生泄露的原因是高溫條件下，緊固件以及法蘭產(chǎn)生了高溫蠕變，密封系統(tǒng)應(yīng)力減小，墊片殘余壓緊力降低，出現(xiàn)較大泄漏量最終密封失效。應(yīng)盡量選擇與密封材料熱膨脹系數(shù)相近的法蘭和緊固件，避免因為材料之間熱膨脹系數(shù)不同對密封性能產(chǎn)生的不良影響。以常見的金屬纏繞石墨墊片為例，影響中法蘭密封件泄漏量的因素包括試驗溫度、設(shè)計壓力、墊片加工過程中殘余壓緊應(yīng)力等，由此可確定墊片泄漏率：

其中，p 表示介質(zhì)壓力；T 表示高溫試驗平均溫度；SG表示墊片加工殘余壓緊應(yīng)力。

②閥座。耐火試驗中金屬密封閥座的閥門內(nèi)泄漏量會增大，但大部分可以達到試驗標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)致內(nèi)泄漏的主要原因是閥座熱變形造成的閥座與閥體間的卡阻問題，在火燒結(jié)束輕質(zhì)冷卻后閥門無法正常啟閉，或者是啟閉力矩過大，影響閥門正常操作。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要注意以閥門熱膨脹系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，對閥桿和軸套進行計算，確認閥座與閥體等配合件之間的配合間隙，以免間隙配合轉(zhuǎn)化為過盈配合，而造成閥門啟閉力矩增大。

4 結(jié)語

石油化工行業(yè)所應(yīng)用的閥門對密封性能要求十分嚴(yán)格，面對復(fù)雜的工況條件，為確保生產(chǎn)安全，要確認所用閥門密封性達標(biāo)。因此，需要針對閥門耐火結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，排除設(shè)計因素造成的閥門內(nèi)外泄漏問題，確?？梢酝耆珴M足實際生產(chǎn)要求。