吴磊

（合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031）

球阀耐火试验失败原因分析

吴磊

（合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031）

介绍了球阀耐火试验中各种失败的现象，从耐火试验失败的各种现象中分析了球阀耐火结构的合理性，并通过图例进行了阐述，提出了一些解决办法。

耐火试验；内泄漏；外泄漏

1 概述

球阀是目前石油化工、长输管线使用最为频繁的阀门种类之一，因石油化工工业的生产流程复杂，而且在生产过程中使用的原材料、半成品、成品以及各种辅助材料大都是易燃易爆物质，极易引发火灾和爆炸事故。而用在某些易失火场合的球阀由于处在易发生火灾的环境中使用，球阀结构上都应做特殊的耐火设计使阀门在遭受一定时间的火烧后仍具有一定的密封性能及操作性能，从而避免关键位置处的球阀一旦因火烧失效而造成更大的危险及损失。

进行球阀的耐火试验是衡量球阀耐火结构是否合理的最有效、直接的办法，从目前我国各主要球阀生产企业的实际进行的耐火试验结果来看，不合格率仍然较高，且目前有关技术资料更多的是从设计的角度理论上分析球阀在火烧过程中密封结构的合理性，而少有根据耐火试验的具体结果来分析球阀在耐火试验中各种失效的原因。本文从试验的角度来分析球阀耐火试验过程中易出现的问题及造成这些问题的原因。

2 耐火试验标准

现行的适用于球阀的耐火试验标准有如下几项：API 607-2016《转1/4周阀门及非金属阀座阀门的耐火试验》；API 6FA-1999(R2011)《阀门耐火试验规范》；ISO 10497-2010 《阀门试验 阀门耐火试验要求》；GB/T 26479-2011《弹性密封部分回转阀门耐火试验》。

以上标准，在耐火试验设备及方法的要求上基本一致，仅在试验过程中温度监测点的布置、试验后阀门的操作及漏量的要求值几点有所不同，所以对于球阀耐火结构的考核可以认为是一致的。

3 试验要求

如图1、图2所示，球阀耐火试验是将被测球阀阀杆以水平位置安装在试验管道上，被测阀门处于关闭状态。管道及被测球阀体腔内充满水并使系统内的水压达到标准规定值，点燃气体燃料并保证被测球阀完全被火包围，阀体周围的火焰温度及阀体各部位的温度在一定时间内达到标准要求（一般要求应≥650℃），在温度满足要求的情况下持续燃烧30分钟，检查火烧期间阀门的内、外泄漏及火烧结束冷却后阀门的内、外泄漏。

图1 典型球阀耐火试验系统图

图2 球阀火烧期间状态

4 考核项目及问题分析

球阀的耐火试验主要考核的是火烧期间及火烧结束冷却后的泄漏量，分为火烧期间及冷却后的内泄漏及火烧期间及冷却后的外泄漏。

4.1 火烧期间及冷却后的内泄漏情况分析

内泄漏是指在试验压力下通过球阀阀座的泄漏，火烧期间的内泄漏和冷却后的内泄漏都是由球体与阀座形成的密封结构所决定的。无论哪个耐火试验标准对火烧期间的内泄漏指标的要求并不高，所以此指标的通过率相对较高，但也有部分球阀因阀座及球体的耐火结构设计不合理而在火烧期间的内泄漏超标。而各个标准对火烧结束冷却后的内泄漏要求相对较高，如API 6FA-1999（R2011）对冷却后低压情况下阀门内泄漏量的最大允许泄漏量仅为40ml/in．/min。

球阀在火烧期间由于阀座环、阀体及球体受热程度及材料的不同使得阀座环、阀体、球体受热后的变形量不同，再加之软密封阀座在受热后逐渐熔融等原因，会造成火烧期的一段时间内球体与阀座之间难以产生良好的密封而造成泄漏，基本上所有的球阀火烧期间在温度上升的过程中都会产生泄漏，但如果球阀的阀座耐火结构合理，在火烧的后期或冷却后内泄漏会减小甚至消失。

图3 浮动球结构球阀的耐火阀座密封结构示意图

浮动球结构球阀在火烧前及火烧后的阀座密封形式如图3所示，浮动球阀的球体可以在阀内介质力的作用下产生轴向的位移并与非金属密封阀座形成良好的密封，即球阀下游阀座与球体的密封为浮动球阀的主密封，如图3（a）所示。在火烧结束后软密封阀座因高温的作用而逐渐熔融，若耐火结构合理，则火烧后浮动球阀的球体可以在阀内介质力的作用下产生轴向的位移，与第2道金属密封阀座形成良好的密封，从而达到耐火结构设计的目的，如图3（b）所示。但是在火烧期间若阀门尺寸较大，热量传递则会较慢以及阀座在浸水的情况下逐渐升温，极易造成部分阀座没有很好的熔融，从而使得球体无法与第2道金属密封阀座形成密封。加之此时原非金属软密封阀座已经高温损坏，所以这种情况下极易形成阀座泄漏大的情况，是阀门耐火试验内泄漏失败的情况之一，如图3（c）所示。另一种情况，在火烧结束后非金属阀座在高温条件下完全熔融，但由于第2道金属阀座与球体在设计时的间隙过大，从而使得浮动球即使在介质力的作用下有位移也难以跟阀座产生很好的密封，从而造成阀门耐火内泄漏试验的失败，如图3（d）所示。

图4 浮动球结构球阀的耐火阀座密封结构示意图

固定球结构球阀在火烧前及火烧后的阀座密封形式如图4所示，固定球阀因有支撑轴支撑球体，所以球体不可以产生轴向的位移，但其阀座是浮动的，可以在介质压力的作用下产生位移并与非金属密封阀座形成良好的密封，所以球阀上游阀座与球体的密封为固定球阀的主密封，如图4（a）所示。固定球阀的几种内泄漏失效形式与浮动球阀类似，区别是固定球阀是靠阀座的位移与球体产生密封，另外因固定球阀主密封为上游密封，故火烧期间在温度上升过程中阀体腔内的水会泄漏到下游流出。但此部分泄漏量在标准中也明确说明不作为阀门的内泄漏量，可以通过计算阀体腔的容积后扣除，所以在火烧初期阀门出现内泄漏且漏量并没有超过阀体腔的容量，则可能并不是阀座耐火结构设计的原因造成。固定球阀火烧过程阀座的几种情况示意图如图4（a）、图4（b）、图4（c）及图4（d）所示。

4.2 火烧期间及冷却后的外泄漏情况分析

外泄漏是指通过阀体连接处、阀杆填料密封处以及其它部件连接处从阀体内向阀体外的泄漏，从近几年国内耐火试验的结果来看，球阀耐火试验因外泄漏造成的试验失败高于内泄漏失败的情况，尤其是火烧结束后球阀操作试验的外泄漏失效，几乎占所有试验失败情况的一半以上，是耐火试验失败的主要原因。

4.2.1 阀体连接处产生的外泄漏情况分析

如图5所示，除全焊接球阀外，球阀阀体的连接都是由螺栓及垫片密封连接，所以耐火试验中阀体连接处若出现外泄漏情况，一般也是由于螺栓或垫片的问题造成。

图5 球阀阀体连接密封结构示意图

耐火结构球阀的垫片一般选用耐高温的垫片，如不锈钢石墨缠绕垫、金属八角垫等。通过长期试验结果来看，石墨垫片虽然也可以经受高温，但由于耐火试验过程中有点火后骤热及火烧后喷水骤冷的过程，以及阀体受热变形等原因，所以石墨垫片因本身强度不够从而极易出现破裂使得外泄漏试验失败，故一般阀体连接不建议用石墨垫片。而聚四氟乙烯、橡胶等非金属复合材料垫片等因其耐温程度有限，不允许作为耐火结构球阀的阀体连接垫片使用。

耐火结构球阀的螺栓一般使用强度等级较高的铬钼钢螺栓，若采用强度等级较低的螺栓，则在火烧及冷却结束后因螺栓的变形极易造成螺栓预紧力减小的情况，此时即使阀体连接处的垫片选用正确也会因预紧力的减小而造成阀体连接处的外泄漏。

此外，阀体连接垫片在阀体连接装配时应考虑内外的止回保护，因为在火烧过程中球阀体腔内的压力逐渐升高，若垫片装配不合理，球阀中腔压力在火烧过程中就有可能从中腔喷泄，泄压过程中甚至将垫片损坏，从而造成阀体连接处的外泄漏超标。

4.2.2 阀杆填料密封处产生的外泄漏情况分析

由于球阀使用过程中需要阀杆操作球体进行阀门的启闭操作，填料与阀杆之间的密封属于动密封，如图6所示。

图6 球阀阀杆填料密封结构示意图

耐火结构球阀的阀杆密封填料应选用耐高温填料，如柔性石墨。而聚四氟乙烯、尼龙、橡胶等材料的填料垫因其耐温程度有限，不允许作为耐火结构球阀的阀杆密封填料使用。耐火结构球阀的阀杆密封填料是通过填料压套来压紧，从而与光洁的阀杆表面形成密封。若压紧填料螺栓强度不够，则也很有可能在火烧后因螺栓的变形甚至断裂导致填料预紧力不够而产生外泄漏。阀杆填料一般是多层使用，在耐火试验过程中也曾发生因填料层数不够在火烧后出现外泄漏的情况，所以耐火结构球阀的阀杆填料的层数也是结构设计中应考虑的因素。

5 结语

球阀的耐火性能最有效的考核方式就是进行耐火试验，理论分析仅是提供耐火结构设计的思路，而通过球阀耐火试验的各种失败现象来进一步优化耐火结构的设计，是保证球阀具有可靠耐火性能的保障。在某些情况下虽然试验失败的表面情形一样，但经过分析或者解体阀门检查会发现其原因不尽相同，从试验发现的情况反向解决设计的问题是我们进行球阀耐火试验的真正意义所在。

[1]API 607-2016,Fire Test for Quarter-turn Valves and Valves Equipped with Nonmetallic Seats [S]．

[2]API 6FA-1999(R2011), Specification for Fire Test for Valves[S]．

[3]ISO 10497-2010, Testing of valves-Fire type-testing requirements[S]．

[4]GB/T 26479-2011,弹性密封部分回转阀门．耐火试验[S]．

[5]吴磊，王晓钧． 阀门的耐火试验 [J]．阀门，2009（2）: 11～13．

TH134

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1671-0711（2017）09（上）-0131-03