高溫平板閘閥失效的因素與改進措施

劉愛武(普斐特油氣工程(江蘇)股份有限公司，江蘇 淮安 211600)

0 引言

平板閘閥主要適用于油氣管道、石化油庫等工藝管道上，作為輸送及截斷介質(zhì)流的理想閥門，也可以安裝在油泵出口起調(diào)節(jié)控制流量的作用，該閥門結(jié)構(gòu)緊湊，啟閉力矩小，密封性能好，流阻系數(shù)小，使用壽命長，是油氣等截止管線理想的配套產(chǎn)品。而對于原油開采和冶煉時，介質(zhì)的溫度通常較高，如在石油開采和冶煉情況下，油溫有時可超過450℃，因此對高溫下工作的平板閥質(zhì)量提出了更高要求。

目前將閥門工作溫度t>450℃的閥門稱為高溫閥門[1]。高溫平板閘閥在工作的過程中，由于零件受熱后，出現(xiàn)膨脹導(dǎo)致間隙變化，同時材料物理性能如強度、硬度和塑性等也會變化，易出現(xiàn)卡死、螺栓松弛、密封失效泄漏等現(xiàn)象，導(dǎo)致閥體無法正常工作。為此，高溫閥門在設(shè)計、制造、安裝、使用等方面應(yīng)綜合考慮各種有利因素，如內(nèi)件的材質(zhì)用料、硬化層的工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、配合間隙、填料、閥體的熱變形等問題。本文綜述了高溫平板閘閥設(shè)計過程中需要考慮的問題，同時針對這些問題綜述前人的研究成果，為以后高溫平板閘閥的開發(fā)設(shè)計提供借鑒和指導(dǎo)。

1 高溫平板閘閥失效的原因

1.1 熱膨脹量卡死

熱脹冷縮是材料的一個基本性能，不同材料的熱膨脹系數(shù)一般情況下是不同的，由于不同零件采用的材料存在差異，同時不同部位零件的溫度變化也不一致，造成零件之間的熱膨脹量會存在較大的差異，因此高溫平板閘閥在工作的過程中各個零件尺寸會出現(xiàn)不同程度的改變，導(dǎo)致設(shè)計的零件間隙和配合關(guān)系發(fā)生變化。間隙變小就會造成零件間出現(xiàn)擠壓力，造成具有相對滑動面的磨損甚至卡死，影響閥體的密封和開關(guān)力矩；而間隙變大會減小結(jié)合面間的密封性，造成泄露，引發(fā)事故。

1.2 熱交變殘余應(yīng)力和熱疲勞

高溫平板閘閥在使用的過程中溫度會受到介質(zhì)通斷、流量和外界環(huán)境溫度的影響，出現(xiàn)波動，造成熱交變現(xiàn)象。熱交變會引起閥體零件表面和內(nèi)部的殘余應(yīng)力發(fā)生變化，促使零件疲勞失效。當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料的屈服強度或者強度極限時，便引起工件的塑性變形或開裂。對于存在較強殘余應(yīng)力的零件，在收到熱沖擊后易發(fā)生斷裂破壞。

1.3 材料高溫軟化和蠕變

高溫平板閘閥需要長期在高溫下工作，將對閥體材料機械性能產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在以下兩方面：一方面是對材料強度的影響，一方面是對塑形的影響。以碳素鋼為例，當(dāng)溫度低于300℃時，碳素鋼的各項強度指標升高30%～50%，而塑形出現(xiàn)一定的波動但基本保持不變。當(dāng)溫度超過300℃以后，碳素鋼的各項強度指標急劇下降，而塑形顯著升高出現(xiàn)明顯的軟化，當(dāng)溫度達到500℃后，材料的強度極幾乎降到0，材料完全失效，而材料的塑形指標升高約100%，表面硬度顯著降低，材料的耐摩擦和耐磨粒沖刷的能力降低，閥體材料在高溫下的軟化導(dǎo)致密封面易出現(xiàn)磨損或者流道被沖刷腐蝕，密封面磨損會影響閥體的密封性，影響了閥門的使用壽命，而沖刷腐蝕產(chǎn)生的凹坑將在后期流體交變載荷的作用下易誘發(fā)微裂紋，進而造成整個閥體的失效，造成重大的安全事故。同時由于塑形的增加，在流體壓力的作用材料會出現(xiàn)塑形蠕變，造成材料變形，精度丟失。

1.4 連接松動

墊片軟化和變形。高溫使墊片材料軟化，回彈能力降低，進而影響連接處的密封效果。同時受法蘭接管與法蘭環(huán)件溫度差導(dǎo)致的熱膨脹量的差異，法蘭產(chǎn)生較大的向外張口角，在螺栓上產(chǎn)生向里的彎曲力，造成墊片內(nèi)側(cè)被擠壓變形。

螺栓松弛。螺栓在高溫環(huán)境下做工作時，由于熱脹冷縮導(dǎo)致螺紋出現(xiàn)咬死的現(xiàn)象。同時由于高溫下螺紋材料軟化，在螺栓預(yù)緊力的作用下出現(xiàn)伸長，最后導(dǎo)致螺栓松弛，密封壓力喪失，出現(xiàn)泄露。因此一定要保證剩余的預(yù)緊力要高出需求值，要檢查聯(lián)接的穩(wěn)固性。

1.5 密封結(jié)構(gòu)失效

常溫平板閘閥通過預(yù)緊螺栓進行擰緊，使閥蓋對密封環(huán)產(chǎn)生一個向下的壓力，密封材料通過變形對密封面上的諸多凹凸點和微小縫隙進行填充，實現(xiàn)密封的作用。但在高溫下，閥蓋和閥體的溫度差異和熱膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致閥蓋和閥體熱膨脹量不一樣，因此在密封區(qū)域會出現(xiàn)縫隙，預(yù)緊螺栓也易出現(xiàn)熱松弛，導(dǎo)致密封失效。

2 高溫平板閘閥改進與優(yōu)化

針對高溫平板閘閥在使用過程出現(xiàn)的各種問題，許多學(xué)者從創(chuàng)新的角度對高溫平板閘閥開展卓有成效的研究，主要涉及以下幾個方面。

2.1 閥體改進與優(yōu)化

目前針對高溫閥體改進的研究主要從兩個方面著手。一是通過新材料實現(xiàn)閥體高溫性能的提升，一是通過增加原有的閥體的壁厚實現(xiàn)閥體力學(xué)性能的提升。

(1)閥體新材料。高溫閥體材料選擇過程中需要重點考慮材料受熱膨脹系數(shù)和高溫力學(xué)性能(包括強度，硬度和耐熱沖擊韌性等)。對于熱膨脹系數(shù)，相同條件下選擇熱膨脹系數(shù)較小的材料[2]，便于后期對閥內(nèi)零件配合的間隙設(shè)計，同時膨脹系數(shù)較小時在相同溫升下熱膨脹量較小，出現(xiàn)卡死的幾率相對更小。另外，選擇閥體材料熱膨脹系數(shù)要盡量與閥內(nèi)零件的熱膨脹系數(shù)相近，這樣在熱脹冷縮的過程中使整個閥門內(nèi)零件變化量一致。同時材料高溫下的強度和硬度以及耐熱沖擊性能也是選擇閥體材料時需要重點考慮的性能，這樣可以提高閥體的耐磨性和耐熱沖擊性，提高閥體的使用壽命。

(2)高溫閥體厚度設(shè)計。閥體設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮實際應(yīng)用環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的最極端的使用條件，并將其設(shè)計為閥體計算的耐壓額定值，從而保證閥體具有足夠的耐高溫高壓能力。

2.2 閘板結(jié)構(gòu)改進與優(yōu)化

目前針對閘板的改進主要為達到閥板與閥座間的間隙可調(diào)的目的，從而避免熱膨脹引起的卡死，這是高溫平板閘閥研究最多的一個方面。除了對閥板結(jié)構(gòu)進行改進外，國內(nèi)外學(xué)者也對閥板表面涂層進行了研究，以改變閘板的高溫特性。普通平板閥的閘板上一般都堆焊有一層1～2mm的合金材料用于密封和增加閘板的耐磨損能力。針對高溫閥出現(xiàn)的問題，許多學(xué)者采用增加堆焊層厚度的辦法，使閥板硬化，同時有效地隔離高溫環(huán)境，減少高溫對閘板內(nèi)部材料的影響。目前公認的將堆焊層厚度確定為大于4mm，層數(shù)選擇3～4層，才能較好的促進閥門在高溫下正常工作。

2.3 密封結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化

密封填料改進。普通平板閥采用的橡膠密封材料在高溫情況下容易老化，基本失去了密封的效果。石墨材質(zhì)較軟，易根據(jù)外界受力發(fā)生形變起到密封作用，耐化學(xué)腐蝕，是目前高溫條件下最常用也是最理想的密封材料之一。針對于高溫平板閘閥所需的密封填料目前開發(fā)出了膨脹石墨盤根和增強型石墨盤根兩類。

墊片結(jié)構(gòu)改進。高溫平板閘閥為了提高密封性，常采用金屬石墨墊片替代傳統(tǒng)的金屬墊片，以滿足高溫下工作的要求。金屬纏繞墊片為半金屬密封墊片中回彈性最佳的墊片，金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)密度可依據(jù)不同的鎖緊力要求來制作，并利用內(nèi)外鋼環(huán)來控制其最大壓緊度，同時能夠?qū)艿老到y(tǒng)的壓力熱循環(huán)和振動進行自動調(diào)整，特別適用于負荷不均勻、接合力易松弛，溫度與壓力周期性變化、有沖擊或震動的場合。

閥蓋密封結(jié)構(gòu)改進。針對高溫平板閘閥不同部位的密封特性的差異，研究人員給出多種改進方案。如針對閥座與導(dǎo)向在熱交變出現(xiàn)松動導(dǎo)致的密封性缺失，研究人員提出將閥座和導(dǎo)向接頭進行嚴密的縫焊，從而達到高溫密封的效果。而針對強制密封在高溫下出現(xiàn)的問題，學(xué)者提出采用伍德密封方式。同時針對交變熱應(yīng)力導(dǎo)致的閥桿填料密封力喪失的問題，研究人員提出了多種適用于高溫平板閘閥的彈性密封結(jié)構(gòu)。通過在填料下方放置補償性預(yù)壓的彈簧(通過緊固螺栓螺母的預(yù)緊力實現(xiàn))和組合式石墨盤根，實現(xiàn)在高溫下填料密封力的保持，即使石墨填料和閥桿出現(xiàn)摩擦性磨損，圈形彈簧能即時作出相應(yīng)的補償性調(diào)節(jié)，保證閥門不發(fā)生外漏情況。

密封面改進。普通密封面材料，如Cr14和9Cr10Mo等，在高溫條件下會軟化，表面硬度喪失，如圖1所示。此時密封面會出現(xiàn)劃傷甚至塑性變形，導(dǎo)致密封失效。研究指出司太立合金和鉻化硼合金密封材料在高溫下具有較好的硬度保持性，在承受700℃高溫時表面硬度僅減小不到10%或者基本不變，適用于高溫平板閘閥的密封面，具有較好的高溫密封效果[3]。

圖1 密封面材料的硬度隨溫度的變化

3 結(jié)語

高溫平板閥往往是客戶反饋意見后才進行改進，未做系統(tǒng)性的分析設(shè)計。針對目前高溫平板閘閥的研究發(fā)展趨勢，本文預(yù)測未來的研究方向?qū)⒅攸c從以下幾個方面展開：系統(tǒng)性熱分析。目前的高溫平板閘閥試驗成本和風(fēng)險較大，很多企業(yè)都是根據(jù)用戶反饋問題后再進行閥體優(yōu)化，因此有必要進行系統(tǒng)性的熱分析。結(jié)構(gòu)改進。通過設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，解決高溫引發(fā)的各類問題，是目前優(yōu)化高溫平板閘閥性能成本最低的辦法。密封材料研發(fā)。密封性是閥體正常工作的基礎(chǔ)，進一步研發(fā)密封材料，實現(xiàn)高溫下的可靠密封具有重要意義。新材料應(yīng)用。通過在高溫平板閘閥中運用如陶瓷、鋁基碳化硅和纖維復(fù)合材料等新材料，有望大幅提升閥體的耐高溫性能。