DN1200電動高溫閘閥填料密封失效分析與修復(fù)
催化裂化裝置的電動高溫閘閥安裝在煙機入口水平管道上，是煙氣輪機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重，閥桿填料密封完全失效，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)和機理進行了分析，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。
(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、閘閥閥桿填料密封結(jié)構(gòu)與機理
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，阻止介質(zhì)進入密封面間隙，而填料則主要起阻擋反吹風外泄的作用。
1.2、填料密封機理
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：
(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。可以看到，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最小，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最大，以達到阻止介質(zhì)泄漏的目的。
(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
對DN1200電動高溫閘閥進行解體，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，最深處可達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完全失效，介質(zhì)泄漏，導(dǎo)致過流件沖蝕磨損嚴重，閥桿報廢。
在分析原因時，首先查看了隔離腔上方的反吹風吹掃管，發(fā)現(xiàn)管路被水垢、雜質(zhì)、濕催化劑粉團等物完全堵塞。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，采取適當措施，當反吹風完全停止吹掃時，將會使填料密封在短期內(nèi)完全失效，閥門介質(zhì)泄漏量進一步加大。
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煙氣，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700℃左右，進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，最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)與機理，通過對DN1200電動高溫閘閥閥桿填料密封失效原因進行分析，從以下方面提出了改進與修復(fù)措施。
2.2.1、保持填料適當預(yù)緊，嚴防過度預(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?shù)念A(yù)緊力即可，不可過度預(yù)緊，可以允許反吹風有微量的泄漏量，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。
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)已損填料必須徹底清理，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，反吹風壓力消失，導(dǎo)致含高硬度催化劑顆粒的腐蝕性煙氣進入填料密封面，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，最終導(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。
