水冷式超高溫閘閥填料選擇

                               上海申弘閥門有限公司

之前介紹321不銹鋼截止閥，現(xiàn)在介紹水冷式超高溫閘閥填料選擇催化裂化裝置的電動高溫閘閥安裝在煙機(jī)入口水平管道上，是煙氣輪機(jī)切除和緊急停車自動連鎖系統(tǒng)中的關(guān)鍵閥門，正常操作時全開，事故或裝置檢修時閥門快速關(guān)閉。我廠2006年為山東海化石油分公司80×104t/a重油催化裂化裝置生產(chǎn)的DN1200電動高溫閘閥，在2011年裝置檢修時，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)泄漏量過大，導(dǎo)致裝置無法正常開車。返廠解體檢查發(fā)現(xiàn)，填料燒結(jié)粘連，壓蓋內(nèi)壁及閥桿表面多處沖蝕磨損嚴(yán)重，閥桿填料密封*失效，閥桿報廢，如圖1所示。為此，對閘閥閥桿填料密封的結(jié)構(gòu)和機(jī)理進(jìn)行了分析，找出了該閥門填料密封失效及閥桿磨損的原因，提出了修復(fù)措施，實際應(yīng)用后效果較好。焦?fàn)t燃燒室爐墻通常用硅質(zhì)耐火材料 ,在 10 0 0℃硅質(zhì)耐火材料的熱導(dǎo)率不高 ,約為 2 .1W·(m·K) -1,這就限制了焦?fàn)t的效率 ,煉焦持續(xù)時間為 14～ 16h。Domna公司開發(fā)出.

水冷式高溫閘閥—倒流休風(fēng)閥、煙道閥
水冷式高溫閘閥適用于高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)的管道，作倒流休風(fēng)閥、燃燒閥或煙道閥用。也適用于其它工業(yè)窯爐，加熱爐的熱風(fēng)管道對高溫空氣、煙氣起切斷作用，它是一種非密閉型閘閥。
水冷式高溫閘閥可采用手搖式鏈條傳動或電動-卷揚(yáng)機(jī)傳動。
水冷式高溫閘閥閥體、閥座（冷卻圈）和閘板均采用水冷卻，密封件為本體材料。
水冷式高溫閘閥工作壓力：開啟時煙氣壓力≤0.01MPa；關(guān)閉時空氣側(cè)壓力0.11 MPa
水冷式高溫閘閥公稱壓力：0.20 MPa、0.25MPa
水冷式高溫閘閥適用介質(zhì)：高溫空氣、煙氣、燃?xì)?br />水冷式高溫閘閥適用溫度：≤1000℃
用戶若需焊接結(jié)構(gòu)，型號后加"C"如ZS5L43W-2C，且閥體下帶方型排污箱。
水冷式高溫閘閥主要外形及連接尺寸和質(zhì)量(單位：mm) 

電動高溫閘閥填料密封失效情況
(a)壓蓋內(nèi)側(cè)閥桿磨損 (b)壓蓋外側(cè)閥桿磨損

圖1 電動高溫閘閥填料密封失效情況

1、水冷式超高溫閘閥填料選擇閘閥閥桿填料密封結(jié)構(gòu)與機(jī)理
1.1、閥桿填料密封結(jié)構(gòu)

DN1200電動高溫閘閥的填料密封結(jié)構(gòu)為串聯(lián)雙填料密封結(jié)構(gòu)，如圖2a所示。上部填料為工作填料，正常操作時經(jīng)預(yù)緊后起密封作用。下部填料為備用填料，僅套在閥桿上，并不壓緊，兩者中間設(shè)有間隔環(huán)。當(dāng)工作填料需要更換時，通過填料函上的液體填料注入口注入液體填料，將備用填料壓緊，起到密封作用，此時，即可在閘閥正常工作狀態(tài)下方便更換工作填料。另外，在過流介質(zhì)與填料之間設(shè)計有一隔離腔，并開設(shè)有吹掃口，工作中連續(xù)通入需經(jīng)孔板節(jié)流的1MPa過熱蒸汽，確保隔離腔壓力高于介質(zhì)壓力，形成反吹風(fēng)，阻止介質(zhì)進(jìn)入密封面間隙，而填料則主要起阻擋反吹風(fēng)外泄的作用。

1.2、填料密封機(jī)理

 水資源的緊張與惡化，已是性的緊迫問題，所以節(jié)水、節(jié)能已成為間普遍的趨勢。就高爐用設(shè)備而言，常規(guī)熱風(fēng)閥冷卻用水用量大、耗能大，成為高爐節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在。
■ 高溫水冷式閘閥設(shè)計特點(diǎn)與保證：
●采用耐高溫、復(fù)合陶瓷耐火材料；
●冷卻水道特殊設(shè)計，保證*冷卻效果；
●冷卻水量zui?。?br />●通過多層隔熱，生產(chǎn)過程溫度損失zui?。?br />●同比提高風(fēng)溫10oC左右；
●因為降低熱損耗和減少冷卻水，使閥門運(yùn)行成本降低；
●并應(yīng)用了常規(guī)襯里熱風(fēng)閥的四項成熟技術(shù)；
（全覆蓋不定型陶瓷耐火材料、閥體非對稱水腔結(jié)構(gòu)、閥板復(fù)合材料保護(hù)、閥桿全浮動密封裝置）
●多種傳動方式（電動、液動、氣動、手動等）。
■ 高溫水冷式閘閥性能參數(shù)：
●規(guī)格：DN800~DN2000
●風(fēng)溫：1350oC～1650oC
●風(fēng)壓：0.4～0.6Mpa
●水量：同規(guī)格常規(guī)熱風(fēng)閥的30～40％
●水壓：0.4～0.7Mpa
●能承受較大的熱沖擊及熱波動
●同比常規(guī)熱風(fēng)閥壽命延長2～3年
●維護(hù)簡單、維修方便
■ 高溫水冷式閘閥適用
高爐熱風(fēng)閥、燃燒閥及倒流休風(fēng)閥，并與原常規(guī)熱風(fēng)閥互換。閥桿填料密封結(jié)構(gòu)屬于徑向接觸式密封，裝在填料函內(nèi)的填料在壓蓋通過螺栓施加的足夠預(yù)緊力P0的作用下發(fā)生彈塑性變形，使之與閥桿的接觸面上產(chǎn)生徑向壓緊力Pr，將填料緊壓在閥桿表面，以阻止介質(zhì)外泄。根據(jù)填料密封的壓緊力分布理論，填料被壓緊后產(chǎn)生的徑向壓緊力Pr、任意高度y上的軸向壓緊力Py以及介質(zhì)壓力Pi的關(guān)系為：

DN1200電動高溫閘閥填料密封失效分析與修復(fù)

式中：K-側(cè)壓系數(shù);μ-填料與鋼軸的軸向動摩擦系數(shù);R、r-填料函內(nèi)徑與閥桿半徑，m;H-填料高度，m;
(1)(2)式表示的填料徑向壓緊力與介質(zhì)壓力Pi沿填料高度的分布如圖2b所示?？梢钥吹?，這兩者沿填料高度的分布恰恰相反。填料內(nèi)側(cè)介質(zhì)壓力Pi大，應(yīng)給予較大的密封力，而此時的徑向壓緊力卻zui小，預(yù)緊力不能很好地發(fā)揮作用。如果加大預(yù)緊力，又會使填料產(chǎn)生過度預(yù)緊，摩擦力增大，導(dǎo)致填料和閥桿之間的磨損加劇，可見填料密封的受力狀況很不合理。在實際應(yīng)用中，往往只能保證靠近壓蓋的2～3圈填料處的徑向壓緊力zui大，以達(dá)到阻止介質(zhì)泄漏的目的。

閥桿填料密封機(jī)理
(a)閥桿填料密封結(jié)構(gòu) (b)填料受力分布

圖2 閥桿填料密封機(jī)理

2、閥桿填料密封失效分析與修復(fù)
2.1、填料密封失效原因分析

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥對DN1200電動高溫閘閥進(jìn)行解體，檢查泄漏部位，發(fā)現(xiàn)密封填料已經(jīng)全部板結(jié)堅硬，內(nèi)表面有很多孔洞與凹坑，呈現(xiàn)煤渣狀，有明顯的過燒炭化和磨損現(xiàn)象。壓蓋內(nèi)表面在靠近填料的端部出現(xiàn)局部沖蝕坑，深度約為5～6mm。閥桿外表面整個布滿一層白色催化劑粉末，并且在閥桿尾部與壓蓋兩側(cè)配合部位均出現(xiàn)了溝壑狀沖蝕磨損凹槽，zui深處可達(dá)11mm，沖蝕方向沿軸向向外輻射。這些現(xiàn)象說明該閥填料密封已*失效，介質(zhì)泄漏，導(dǎo)致過流件沖蝕磨損嚴(yán)重，閥桿報廢。

在分析原因時，首先查看了隔離腔上方的反吹風(fēng)吹掃管，發(fā)現(xiàn)管路被水垢、雜質(zhì)、濕催化劑粉團(tuán)等物*堵塞。據(jù)此可以推斷，在閥門長時間全開過程中，由于反吹風(fēng)壓力下降到低于介質(zhì)壓力，已經(jīng)有少量高溫催化劑顆粒在介質(zhì)壓力作用下進(jìn)入密封面間隙并聚集鑲嵌在壓蓋內(nèi)側(cè)的2～3圈填料處，破壞了此處密封面的光滑狀態(tài)，當(dāng)閥門再次關(guān)閉時，此處局部短時摩擦力急劇增大，從而對已經(jīng)熱態(tài)預(yù)緊過度的填料和閥桿表面形成局部磨粒磨損，使密封面間隙增大。同時，填料工作溫度接近700℃，由于局部摩擦發(fā)熱嚴(yán)重，熱量不能及時散發(fā)，導(dǎo)致填料的彈塑性變形能力降低，甚至損壞，不能及時補(bǔ)償密封面間隙的增大量，引起填料松馳和密封比壓下降，從而使介質(zhì)發(fā)生泄漏，如圖3所示。如果此時不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏情況，采取適當(dāng)措施，當(dāng)反吹風(fēng)*停止吹掃時，將會使填料密封在短期內(nèi)*失效，閥門介質(zhì)泄漏量進(jìn)一步加大。

填料磨損后介質(zhì)泄漏示意圖
圖3 填料磨損后介質(zhì)泄漏示意圖

另外，由于電動高溫閘閥通過的介質(zhì)為含少量催化劑顆粒的高溫?zé)煔?，這些催化劑顆粒的主要成分為Al2O3或SiO2，硬度較高，且煙氣中還含有SO2等腐蝕性氣氛，溫度高達(dá)700℃左右，進(jìn)一步惡化了填料密封的工作環(huán)境，加劇了填料和閥桿的磨損速度。當(dāng)含催化劑顆粒的煙氣形成的具有氣固兩相流性質(zhì)的高溫氣流束從密封面間隙噴出時，體積瞬間增大，將壓力能急劇轉(zhuǎn)化為巨大的速度能，沖蝕閥桿，zui終形成溝壑狀沖蝕表面，使閥桿報廢，如圖1所示。

2.2、DN1200電動高溫閘閥的修復(fù)措施

結(jié)合填料密封的結(jié)構(gòu)與機(jī)理，通過對DN1200電動高溫閘閥閥桿填料密封失效原因進(jìn)行分析，從以下方面提出了改進(jìn)與修復(fù)措施。

2.2.1、保持填料適當(dāng)預(yù)緊，嚴(yán)防過度預(yù)緊

電動高溫閘閥在系統(tǒng)升溫或安裝環(huán)境中因溫度、壓力等因素發(fā)生波動時，由于壓蓋、螺栓之間的熱脹冷縮速率不同，容易導(dǎo)致填料壓蓋螺栓預(yù)緊力及填料受力情況反復(fù)變化，當(dāng)靠近壓蓋處2～3圈填料產(chǎn)生的徑向壓緊力降低到小于介質(zhì)壓力時，便會出現(xiàn)泄漏。

但是，根據(jù)填料密封的結(jié)構(gòu)與機(jī)理，要保證填料密封100%零泄漏是不現(xiàn)實的。因為在實際應(yīng)用中，為了獲得100%零泄漏的密封性能，人們考慮較多的是不斷給填料施加更大的預(yù)緊力，忽視了過度預(yù)緊給填料密封帶來的不利影響，反而加快了填料和閥桿表面之間的磨損，使填料密封早期失效。因此，在現(xiàn)實中，為了改善摩擦性能，只需要給填料施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力即可，不可過度預(yù)緊，可以允許反吹風(fēng)有微量的泄漏量，以保證摩擦面上的冷卻與潤滑。

為了保證填料的適當(dāng)預(yù)緊，目前比較可行的辦法是在壓蓋螺栓處根據(jù)填料徑向壓緊總力Pr的大小設(shè)計預(yù)緊蝶形彈簧，如圖4。在長周期運(yùn)行中保持穩(wěn)定的預(yù)緊力，使填料徑向壓緊力保持在比較合理的范圍，自動補(bǔ)償填料磨損，起到了預(yù)防預(yù)緊不足或過度預(yù)緊的作用，提高填料密封使用的壽命。

填料預(yù)緊碟簧安裝示意圖
圖4 填料預(yù)緊碟簧安裝示意圖

2.2.2、正確組合和安裝填料

電動高溫閘閥選取的是柔性石墨和石墨石棉編織盤根的組合填料，在對其進(jìn)行修復(fù)的過程中需注意以下問題：

(1)對填料函內(nèi)已損填料必須*清理，保證新裝填料環(huán)尺寸能夠與閥桿和填料函內(nèi)表面配合良好;

(2)膨脹石墨選用一組不同壓制壓力的成型填料，由內(nèi)到外壓制壓力依次減小。這樣填料徑向壓緊力分布更均勻，密封效果更好;

(3)安裝填料時，新填料不應(yīng)隨處放置，以免表面沾污泥砂等硬質(zhì)污物，因這些污物很難清除，一旦隨填料裝入，會對閥桿產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損;

(4)新制閥桿的表面要求光滑，不應(yīng)有刻痕、碰傷和銹蝕。

2.2.3、保證吹掃管線暢通，正確及時維護(hù)閥門

閘閥安裝投用后，必須保證閥桿處的連續(xù)吹掃，不得間斷。用戶要不定期對閥桿吹掃管線進(jìn)行巡查，一旦發(fā)現(xiàn)管線有堵塞或不順暢情況，必須及時清理，保證反吹風(fēng)壓力大于介質(zhì)壓力，從而提高填料密封的可靠性，延長填料使用壽命。

另外，在閥門關(guān)閉或開啟初期，要頻繁查看閥蓋處的填料密封情況，如果泄漏量有加大趨勢，必須及時更換工作填料，并適當(dāng)預(yù)緊，以防介質(zhì)泄漏情況加劇后對閥桿造成沖蝕。

經(jīng)過以上措施對DN1200電動高溫閘閥填料密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)并投用后，用戶反映應(yīng)用效果較好，閥桿填料密封良好，修復(fù)效果達(dá)到滿意。

3、結(jié)論
DN1200電動高溫閘閥填料密封失效的主要原因為閥桿蒸汽吹掃孔堵塞，反吹風(fēng)壓力消失，導(dǎo)致含高硬度催化劑顆粒的腐蝕性煙氣進(jìn)入填料密封面，使填料和閥桿之間的腐蝕和短時磨損加劇，密封面間隙增大，介質(zhì)發(fā)生泄漏并高速沖蝕閥桿，zui終導(dǎo)致填料密封失效，閥桿報廢。安裝或更換填料時的過度預(yù)緊也是導(dǎo)致填料密封早期失效的原因之一。與本文相關(guān)的論文：鈦合金截止閥J41TA