阀门耐火密封结构设计分析

2020-06-28李伟张建斌杨玲玲王晓钧李妍

中国设备工程 2020年7期

李伟，张建斌，杨玲玲，王晓钧，李妍

（1.合肥通用机械研究院有限公司；2.合肥通用机电产品检测院有限公司，安徽合肥 230031）

阀门是石油化工生产工艺中重要的组成部分，很多重要工况均会使用到阀门，面对工况的特殊性，实际生产对阀门性能的要求十分严格，必须做到在火灾发生后依然能够保持良好的密封性与启闭性能。针对阀门做耐火密封结构设计，需要以国内相关标准作为依据，确保结构设计符合耐火试验标准，只有经过专业考核，才允许投入生产中使用，因此阀门的结构设计必须强调耐火试验的重要性，保证阀门耐火性能符合生产要求。

1 阀门耐火试验常见问题

（1）阀门外密封泄露。阀门在接受耐火试验超过30min情况下，阀体表面温度可以达到680 ～980℃，而阀体内部温度则可以达到600℃以上，很容易烧毁密封件，法兰与紧固件会受热膨胀或者热变形，导致阀门密封失效，泄露超标。

（2）阀座密封泄露。在长时间的高温条件下，阀门将会出现阀座烧毁、阀座与阀体脱离甚至阀座变形等问题，这对阀门结构的密封性能影响甚大。

（3）阀门零件卡阻。阀门零件在高温条件下会出现变形、膨胀以及应力释放，进而导致阀门卡阻，无法完成正常的启闭或密封操作，导致阀体密封失效，无法满足工况密封基本要求。

（4）局部阀体开裂。阀体介质在高温条件下会产生气化，阀腔局部压力急剧升高，最终造成阀体开裂出现泄露，无法达到专业密封标准。

2 阀门耐火试验标准与要求

2.1 耐火试验标准

阀门耐火试验标准国内外之间存在一定差异，且不同标准考核的阀门类型不同，常用标准如我国各种阀门耐火试验系统及方法要求标准JB/T6899-1993；美国石油学会制定的标准ANSI/API607-2005，主要针对的是软阀座1/4 转阀门；API6FA-1999 针对的是管线阀门与井口装置；API5FD-1995针对的为止回阀，以及国际标准化组织制定的ISO 10497-2004 标准适用于各种阀门耐火试验。

2.2 耐火试验要求

（1）通用要求。国内外各种阀门耐火试验的标准虽然各不相同，但是，通用要求却是大体一致的。排除止回阀以外，对于被测阀门阀杆必须要按照水平位置安装在试验管道上，且阀门需要在关闭状态下被检测。管道以及被测阀门体腔内充满水，且要求水压达到标准数值，然后，将气体燃料点燃，促使燃烧的火焰能够完全包围被测阀门，尤其是在规定时间内，阀体周围的火焰温度以及阀体各部位的温度要达到设定温度，并维持该条件持续燃烧30min 以上。试验人员需要在燃烧期间检查阀门的内外泄露状态，在火烧结束后同样需要对冷却后的阀门做内、外泄露检查。

（2）耐火试验内容：①火烧期内泄漏。阀门火烧期内泄漏即于规定试验压力下持续火烧过程中阀座产生泄露，常见于软密封阀座的阀门。在持续火烧条件下，阀体温度快速升高，软密封阀座被软化甚至会完全熔化，这样一旦阀座发生变形或者熔化，阀门便会出现内泄漏。当软密封阀座完全熔化后，硬密封阀座无法保持良好的密封性，则在整个火烧期间均会持续发生内泄漏。其中，相比软密封阀座，硬密封阀座阀门的内泄漏量更小。②火烧期外泄露。阀门火烧期外泄露即于规定试验压力条件下持续火烧过程中，阀体法兰连接、螺纹连接以及阀杆密封等部位出现泄露。阀门在受到持续火烧后，其壳体、内件以及紧固件等受热将会产生变形，进而会造成阀体内法兰连接、阀体螺纹连接以及阀杆填料等部位产生外泄露。并且，阀门中腔内积存的水会因为持续火烧而不断升温直至气化，导致腔体内压力升高，在压力泄放阀还未泄压的情况下，各潜在外泄露处便有可能产生外泄露，情况严重的甚至会影响火烧试验的继续进行。

2.3 冷却后低压试验

冷却后低压试验即在结束火烧后，对阀门进行强制冷却，在标准规定低压试验压力下，测得阀门内泄漏与外泄露。按照相关标准，要求试验阀门压力级超过Class600 的不进行低压试验。阀门在经过火烧以及强制冷却操作后，阀门各部件会因为温度的骤然变化而产生形变，最后在经过强制冷却后，就会发现阀门出现内泄漏和外泄漏。

2.4 操作试验

操作试验即在规定的试验高压下对阀门进行操作，将其由全关操作至半开或全开状态，将管道内部的蒸汽全部排除干净后向管内充满水，且需要对下游管路进行封闭，最后，在标准规定的高压试验压力下对阀门的外泄露进行测定。其中，针对止回阀的操作试验，是对试验阀门的进、出口端压力进行调节，促使阀瓣动作后，将管道内部的蒸汽全部排除干净后向管内充满水，同时，将出口端管路封闭后，于规定试验压力下对阀门的外泄漏进行测量。阀门在经过火烧和强制冷却以及高压试验压力条件后进行操作，阀门装配的各连接部位很容易产生外泄露。根据实践经验总结可知，阀门外泄露主要受密封垫片类型、工艺尺寸、阀杆填料以及紧固螺栓选择等因素影响，需要将其作为阀门耐火结构设计的重点分析。

3 阀门耐火结构设计要点

（1）密封材料选择。通过对阀门进行耐火密封试验可知，产生外泄露的部位主要包括阀杆填料密封、中法兰垫片密封以及与其他外部接触的密封部位；而产生外泄露的部位主要就是阀座密封。为有效改善阀门的耐火密封性能，在对其进行结构设计时，首先，要做到的就是要选择合适的密封材料，例如，阀体法兰密封可选择石棉类密封材料，其以石棉垫片或石棉橡胶板等形式密封，可满足-100 ～500℃的工况条件；阀杆密封、阀座密封、阀体法兰密封等则可以选择适用橡胶类材料，以O 形圈、V 形圈以及各种垫片的形式密封，可满足-30 ～150℃的工况条件；中高压阀门以及密封要求高的阀门，则可以选择石墨类材料，以石墨填料、石墨垫片以及各种增强类石墨密封件形式密封，能够满足-100 ～650℃的工况条件；对于温度超过650℃工况中的阀门，密封则应选择复合类材料，以各种金属类缠绕垫片的形式密封，确保密封性能可以达到实际工况要求。通过比较可知，石棉类、石墨类以及复合类密封件耐火性能更加优越，可以用于石油化工阀门的常规密封或辅助密封，在进行阀门结构设计时，可以根据当地标准和工况要求灵活选择。

（2）密封结构设计。

①中法兰。在进行阀门耐火结构设计时，需要强调中法兰的重要性，因为在阀门耐火试验中，其实主要的外泄露点，据不完全统计，阀门中法兰泄露可以占到总体泄露量的85%～97%。产生泄露的原因是高温条件下，紧固件以及法兰产生了高温蠕变，密封系统应力减小，垫片残余压紧力降低，出现较大泄漏量最终密封失效。应尽量选择与密封材料热膨胀系数相近的法兰和紧固件，避免因为材料之间热膨胀系数不同对密封性能产生的不良影响。以常见的金属缠绕石墨垫片为例，影响中法兰密封件泄漏量的因素包括试验温度、设计压力、垫片加工过程中残余压紧应力等，由此可确定垫片泄漏率：

其中，p 表示介质压力；T 表示高温试验平均温度；SG表示垫片加工残余压紧应力。

②阀座。耐火试验中金属密封阀座的阀门内泄漏量会增大，但大部分可以达到试验标准。导致内泄漏的主要原因是阀座热变形造成的阀座与阀体间的卡阻问题，在火烧结束轻质冷却后阀门无法正常启闭，或者是启闭力矩过大，影响阀门正常操作。因此，在结构设计时，需要注意以阀门热膨胀系数为标准，对阀杆和轴套进行计算，确认阀座与阀体等配合件之间的配合间隙，以免间隙配合转化为过盈配合，而造成阀门启闭力矩增大。