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                            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(dòng)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(dòng)連鎖系統(tǒng)中的關(guān)鍵閥門，正常操作時(shí)全開，事故或裝置檢修時(shí)閥門快速關(guān)閉。我廠2006年為山東?；头止?0×104t/a重油催化裂化裝置生產(chǎn)的DN1200電動(dòng)高溫閘閥，在2011年裝置檢修時(shí)，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(bào)廢，如圖1所示。為此，對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(dòng)或電動(dòng)-卷揚(yáng)機(jī)傳動(dòng)。
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(shí)煙氣壓力≤0.01MPa；關(guān)閉時(shí)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(jì)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(shì)。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(jì)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(jì)，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小；
●同比提高風(fēng)溫10oC左右；
●因?yàn)榻档蜔釗p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(xiàng)成熟技術(shù)；
（全覆蓋不定型陶瓷耐火材料、閥體非對(duì)稱水腔結(jié)構(gòu)、閥板復(fù)合材料保護(hù)、閥桿全浮動(dòng)密封裝置）
●多種傳動(dòng)方式（電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)、手動(dòng)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(dòng)
●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(dòng)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(dòng)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。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(shí)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(huì)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(shí)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(dòng)截止閥對(duì)DN1200電動(dòng)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(jiān)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(gè)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(bào)廢。

在分析原因時(shí)，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(shí)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(shí)，此處局部短時(shí)摩擦力急劇增大，從而對(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)不能及時(shí)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(shí)，將會(huì)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(dòng)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(shí)，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(bào)廢，如圖1所示。

2.2、DN1200電動(dòng)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(duì)DN1200電動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，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(shí)，便會(huì)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(shí)的。因?yàn)樵趯?shí)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(shí)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(duì)其進(jìn)行修復(fù)的過程中需注意以下問題：

(1)對(duì)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(shí)，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(huì)對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)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(shì)，必須及時(shí)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(duì)閥桿造成沖蝕。

經(jīng)過以上措施對(duì)DN1200電動(dòng)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(dòng)高溫閘閥填料密封失效的主要原因?yàn)殚y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(shí)磨損加劇，密封面間隙增大，介質(zhì)發(fā)生泄漏并高速?zèng)_蝕閥桿，zui終導(dǎo)致填料密封失效，閥桿報(bào)廢。安裝或更換填料時(shí)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