DN1200電動高溫閘閥填料密封失效分析與修復

2013-07-15 王亞青 中國石油渤海裝備蘭州石油化工機械廠

  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中的關鍵閥門,正常操作時全開,事故或裝置檢修時閥門快速關閉。我廠2006年為山東;头止80×104t/a重油催化裂化裝置生產的DN1200電動高溫閘閥,在2011年裝置檢修時,發現介質泄漏量過大,導致裝置無法正常開車。返廠解體檢查發現,填料燒結粘連,壓蓋內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構和機理進行了分析,找出了該閥門填料密封失效及閥桿磨損的原因,提出了修復措施,實際應用后效果較好。

電動高溫閘閥填料密封失效情況

(a)壓蓋內側閥桿磨損 (b)壓蓋外側閥桿磨損

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構與機理

1.1、閥桿填料密封結構

  DN1200電動高溫閘閥的填料密封結構為串聯雙填料密封結構,如圖2a所示。上部填料為工作填料,正常操作時經預緊后起密封作用。下部填料為備用填料,僅套在閥桿上,并不壓緊,兩者中間設有間隔環。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下方便更換工作填料。另外,在過流介質與填料之間設計有一隔離腔,并開設有吹掃口,工作中連續通入需經孔板節流的1MPa過熱蒸汽,確保隔離腔壓力高于介質壓力,形成反吹風,阻止介質進入密封面間隙,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

  閥桿填料密封結構屬于徑向接觸式密封,裝在填料函內的填料在壓蓋通過螺栓施加的足夠預緊力P0的作用下發生彈塑性變形,使之與閥桿的接觸面上產生徑向壓緊力Pr,將填料緊壓在閥桿表面,以阻止介質外泄。

  根據填料密封的壓緊力分布理論,填料被壓緊后產生的徑向壓緊力Pr、任意高度y上的軸向壓緊力Py以及介質壓力Pi的關系為:

DN1200電動高溫閘閥填料密封失效分析與修復
  式中:K-側壓系數;μ-填料與鋼軸的軸向動摩擦系數;R、r-填料函內徑與閥桿半徑,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。填料內側介質壓力Pi大,應給予較大的密封力,而此時的徑向壓緊力卻最小,預緊力不能很好地發揮作用。如果加大預緊力,又會使填料產生過度預緊,摩擦力增大,導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,以達到阻止介質泄漏的目的。

閥桿填料密封機理

(a)閥桿填料密封結構 (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

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,發現密封填料已經全部板結堅硬,內表面有很多孔洞與凹坑,呈現煤渣狀,有明顯的過燒炭化和磨損現象。壓蓋內表面在靠近填料的端部出現局部沖蝕坑,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配合部位均出現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。這些現象說明該閥填料密封已完全失效,介質泄漏,導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,發現管路被水垢、雜質、濕催化劑粉團等物完全堵塞。據此可以推斷,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壓力,已經有少量高溫催化劑顆粒在介質壓力作用下進入密封面間隙并聚集鑲嵌在壓蓋內側的2~3圈填料處,破壞了此處密封面的光滑狀態,當閥門再次關閉時,此處局部短時摩擦力急劇增大,從而對已經熱態預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℃,由于局部摩擦發熱嚴重,熱量不能及時散發,導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,從而使介質發生泄漏,如圖3所示。如果此時不能及時發現泄漏情況,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完全失效,閥門介質泄漏量進一步加大。

填料磨損后介質泄漏示意圖

圖3 填料磨損后介質泄漏示意圖

  另外,由于電動高溫閘閥通過的介質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措施

  結合填料密封的結構與機理,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措施。

2.2.1、保持填料適當預緊,嚴防過度預緊

  電動高溫閘閥在系統升溫或安裝環境中因溫度、壓力等因素發生波動時,由于壓蓋、螺栓之間的熱脹冷縮速率不同,容易導致填料壓蓋螺栓預緊力及填料受力情況反復變化,當靠近壓蓋處2~3圈填料產生的徑向壓緊力降低到小于介質壓力時,便會出現泄漏。

  但是,根據填料密封的結構與機理,要保證填料密封100%零泄漏是不現實的。因為在實際應用中,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緊力,忽視了過度預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,在現實中,為了改善摩擦性能,只需要給填料施加適當的預緊力即可,不可過度預緊,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緊,目前比較可行的辦法是在壓蓋螺栓處根據填料徑向壓緊總力Pr的大小設計預緊蝶形彈簧,如圖4。在長周期運行中保持穩定的預緊力,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,起到了預防預緊不足或過度預緊的作用,提高填料密封使用的壽命。

填料預緊碟簧安裝示意圖

圖4 填料預緊碟簧安裝示意圖

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,在對其進行修復的過程中需注意以下問題:

  (1)對填料函內已損填料必須徹底清理,保證新裝填料環尺寸能夠與閥桿和填料函內表面配合良好;

  (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,新填料不應隨處放置,以免表面沾污泥砂等硬質污物,因這些污物很難清除,一旦隨填料裝入,會對閥桿產生強烈磨損;

  (4)新制閥桿的表面要求光滑,不應有刻痕、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,一旦發現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,并適當預緊,以防介質泄漏情況加劇后對閥桿造成沖蝕。

  經過以上措施對DN1200電動高溫閘閥填料密封結構進行修復并投用后,用戶反映應用效果較好,閥桿填料密封良好,修復效果達到滿意。

3、結論

  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,介質發生泄漏并高速沖蝕閥桿,最終導致填料密封失效,閥桿報廢。安裝或更換填料時的過度預緊也是導致填料密封早期失效的原因之一。