阀门耐火密封结构的设计与分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国船舶重工集团公司第七二五研究所 作者:赵朋举

  介绍了国内外阀门耐火试验的相关标准,总结了耐火试验对阀门的影响。针对这些影响因素,分析了有耐火试验要求的阀门在设计过程中要考虑的设计要点,包括密封件的选用,法兰结构设计,阀座密封结构设计,阀门内腔结构的设计等。

1、概述

  石化行业和一些重要工况下使用的阀门,要求在发生火灾之后还能保证一定的密封和启闭性能。阀门样机也需要经过耐火试验考核通过后才能投入使用。因此,阀门在设计时要考虑到耐火试验的影响,从根本上保证阀门的耐火性能。

2、相关标准

  国内外有关阀门耐火试验的常用标准有JB/T 6899-1993、API 607-2010、API 6FA-1999、API6FD-2008和ISO 10497-2010等。不同的标准考核不同类型的阀门(表1) 。阀门耐火试验标准的规定主要包括耐火试验时间,试验温度,阀门泄漏测试方法,耐火试验后阀门的操作方法等( 表2) 。

  不同类型的阀门要根据客户要求,依据相应的标准进行耐火试验认证。相同结构的阀门,可以按照标准规定的覆盖评定原则进行评定,不需要对每种规格的阀门都进行耐火试验考核。通过对各个标准的综合分析和试验验证,使阀门在耐火试验过程中满足耐火试验的阀门特点及设计要求。通过不同类型阀门的耐火试验验证,阀门在耐火试验过程中出现的主要问题有外密封泄漏、阀座密封泄漏、阀门零件卡阻和阀体局部开裂等。

  (1) 阀门外密封泄漏

  耐火试验持续30min 以上,阀体表面温度达到680 ~980℃,阀体内腔温度高达600℃,这些会造成密封件烧毁,法兰及紧固件热膨胀或热变形等,从而导致密封失效,泄漏超标。

表1 阀门标准及相关试验阀门类型

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  (2) 阀座密封泄漏

  阀门经过长时间的高温会造成阀座烧毁、阀座与阀体脱离或阀座变形等情况,影响阀门的密封。

表2 阀门试验技术规范

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  (3) 阀门零件卡阻,无法启闭或密封

  零件高温下变形、膨胀和应力释放,导致阀门启闭卡阻,影响正常操作,或者导致密封失效,不能达到密封效果。

  (4) 局部阀体开裂

  阀体内的介质在高温环境中气化,造成阀腔局部压力过高,引起泄漏或阀体开裂。

3、密封材料

  阀门在耐火试验中产生外泄漏的部位包括阀杆的填料密封,中法兰的垫片密封,和其他与外部接触的密封部位,产生内泄漏的部位主要是阀座密封。阀门设计中用到的密封件可以划分为橡胶类密封件,石棉类密封件,塑料类密封件,石墨类密封件,复合类密封件( 表3) 。

表3 各种密封件使用环境

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  在阀门耐火试验中,阀体外部达到680 ~980℃,测温块中热电偶的测量温度高达650℃,且持续保持30min。因此,如果阀门选用的主密封材料不能满足耐火试验的密封要求,就需要增加辅助密封结构,保证阀门的密封性能。

  通过对各种密封材料的使用温度对比,石棉类、石墨类和复合类密封件的耐火性能较好,通常用来作为阀门的常规密封或辅助密封。考虑到石棉类的密封件被大部分国家和地区禁止使用,石墨类密封件和金属+ 石墨类复合密封件是耐火设计阀门中的最优选择。

4、密封结构

  (1) 中法兰

  阀门的中法兰或其他法兰结构是阀门在耐火试验中的主要外泄漏点。根据多次耐火试验证明,阀门中法兰泄漏量占阀门总泄漏量的85% ~97%。

  法兰在耐火试验中泄漏的主要原因在于高温环境下,紧固件和法兰发生高温蠕变,造成密封系统应力松弛,垫片残余压紧力不足,最终导致泄漏量增大,密封失效。

  有耐火试验要求的阀门在设计选材时,法兰、紧固件和密封材料要尽量选用热膨胀系数接近的材料,降低不同材料间热膨胀系数对阀门密封的影响。

  阀门及紧固件常用材料热膨胀系数如表4 所示。紧固件的应变应考虑弹性应变和高温蠕变的综合影响,则εb为

εb = εbe + εbc(1)

  式中εb———紧固件的总应变

  εbe———紧固件的弹性应变

  εbc———紧固件的高温蠕变

表4 阀门用主要材料热膨胀系数

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  耐火试验阀门的中法兰密封件多采用金属缠绕石墨垫片。金属缠绕石墨垫片的试验温度,设计压力,垫片加工过程中的残余压紧应力对耐火试验过程中的泄漏量有着较大的影响。垫片的泄漏率L 为

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  (2) 阀座

  有耐火性能要求的阀座密封要考虑正常使用工况下的密封和耐火试验下的密封2 种情况。金属密封阀座的阀门在耐火试验中的内泄漏会有所上升,但是通常都能够达到试验的要求。其最主要的影响在于阀座的热变形导致阀座与阀体之间的卡阻现象,从而造成耐火试验后阀门无法正常启闭,或启闭力矩过大。因此,此类阀门在设计时,要根据阀门的热膨胀胀系数计算阀杆与轴套,阀座与阀体等配合件之间的配合间隙,避免出现间隙配合转化为过盈配合,增大启闭力矩。

  非金属密封的阀门在高温时阀座会被烧毁或损坏。阀门在设计时要增设二次密封阀座。二次密封阀座在设计时要考虑到密封面粗糙度,阀座补偿间隙,阀座密封性能等因素的影响( 表5) 。

表5 非金属密封阀座补偿结构常见问题及解决方法

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  (3) 密封腔体

  很多阀门会有一个密闭的腔体,如球阀的中腔,闸阀的中腔,旁通类阀门的平衡腔等。在常规的使用条件下,密封腔体不会影响到阀门的性能。但是,在耐火试验时,密闭腔体中的介质气化,导致腔体压力急剧升高。试验证明,在密闭腔体中且介质为水时,密闭腔体的压力能够升高达到13 倍,极易造成阀体开裂,或密封损坏。

  为避免此类情况的发生,阀门内部的密闭腔体必须要设计卸压结构。阀门中腔的卸压结构分为自泄压结构和装置泄压结构两种形式。自泄压结构就是利用阀门的内腔结构特点,在高压环境中自动实现泄压功能,比如球阀的SPE 阀座结构。装置泄压结构,是指在阀门结构加装高压卸载结构,闸阀的阀体泄压阀等。

5、结语

  有耐火试验要求的阀门在进行设计时,要综合考虑高温、局部高压和材料的热膨胀系数等因素对阀门的材料、密封性能和启闭力矩等因素的影响。针对不同的阀门类型的问题,提前给出解决方案,实现阀门的密封可靠性,保证阀门的耐火性能要求。

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