淺談閘閥
1、概述
閘閥以其耐壓、耐溫(高低溫) 、耐腐蝕(多種材料配置) 、具備雙向密封功能、耐磨損和使用壽命長等優點越來越廣泛地應用于各類工業系統,實現介質的開啟與關閉,為系統的穩定與控制發揮了重要的作用。
2、分類
以國產常見標準的明桿閘閥的閘板形式分類(新結構未列入) ,其主要有Z40、Z41、Z42和Z44等結構(圖1) 。用戶選型時應以工況要求為原則,參考選擇合適型號。并在安裝、調試和維護等方面規范操作,以避免或杜絕事故的發生。
( a) Z40型楔式彈性板閘閥 ( b) Z41型平行式單閘板閘閥 ( c) Z41型楔式單閘板閘閥( d) Z42型楔式雙閘板閘閥 ( e) Z44型平行式雙閘板閘閥
3、常見事故
3.1、閥桿斷裂或變形
(1)斷裂
閥桿斷裂一般發生在上下螺紋根部,此處截面積最小,易出現應力集中及超標現象。尤其當工作條件較大地偏離設計參數時。如某電廠曾多次發生DN175電動閘閥開啟后閥桿梯型螺紋退刀槽處拉斷的事故。調查發現,閥門的閥蓋預緊螺母松動,閥蓋上移,閥桿螺母卡住,顯然這是電裝行程調試過位,保護力矩過大引起的事故。
另一類閥桿斷裂事故則發生于開啟瞬間。表現為閘板尚未脫離閥座,閥桿即在上或下螺紋根部斷裂。其原因通常認為是閘板卡住,這其實只是部分原因或次要原因。一個重要原因是閥體中腔關閉后的異常升壓,亦即閥門關閉后,封閉于上下游兩側密封面之間的中腔流體壓力遠高于上游壓力的現象。
產生這種現象有兩種原因。其一中腔流體被上游流體加熱升溫發生膨脹,導致壓力劇烈升高。其二閘板關閉瞬間流體封閉于中腔,無法外流,中腔空間被閥桿進一步擠壓,由于液體的可壓縮性十分有限,也會使壓力劇增,這一現象尤其易發生在發電廠的Z962類主給水閘閥上。同時,其異常升壓一般會成幾何級數增加,遠遠超過閥桿強度設計極限。
(2) 變形
閥桿彎曲一般出現在電動閥門電裝調試不當時, 如關閉力矩過大又未設行程保護或失調等, 其對閥門的破壞非常大。
3.2、泄漏
(1) 外漏
閥門殼體一般采用鑄件加工。雖然鍛件可以代替鑄件用于高溫高壓工況, 但受工藝或成本的限制, 大規格殼體通常用鑄件制造。由于鑄件存在氣孔、夾渣、裂紋、縮松和疏松等大量缺陷, 這些缺陷在閥門的運行中會隨時暴露, 成為威脅安全運行的隱患。某電廠2007年統計數據表明, 閥門外漏事故中, 37%為殼體鑄造缺陷引發。其余則為閥桿、中法蘭及端法蘭密封出現故障引發。
密封件損壞也將導致系統介質大量外漏。如閥桿密封處外漏一般由填料壓板的活節螺栓未及時壓緊引起, 一旦發生常導致重大事故。另一個原因是閥桿表面因處理工藝或材料選擇不當被介質腐蝕或填料不合格腐蝕了閥桿密封表面。閥桿上下運動會由其表面銹蝕處帶出填料微粒, 反復多次即出現填料間隙泄漏, 此時如維護不當, 高壓或高速介質在極短時間內將填料沖出, 形成泄漏。同樣, 以石墨不銹鋼絲纏繞材料作密封件的高壓自緊密封閥門及以不銹鋼帶石墨纏繞墊的中法蘭密封閥門亦應防止此類情況的發生。再一個原因也常引起介質的大量外漏, 即填料壓蓋與閥桿間配合間隙過大, 閥桿上下運動過程中, 會因間隙過大反復摩擦填料帶出微末, 最終使填料壓緊比壓下降, 導致泄漏。
(2) 內漏
引起閥門內漏的原因很多, 新閥門運行不久即發生內漏和關不到位, 應為密封面夾雜異物。因此新安裝閥門產品投運前認真檢查, 仔細沖管可減輕這類事故的發生。
3.3、閘板故障
(1) 卡塞
閘板卡塞表現為閘板卡在閥體中腔導軌側, 甚至與閥桿脫離, 主要因設計制造不良引發, 如導軌接觸寬度過短或過長, 導軌表面粗糙等。當閘板卡塞在閥座中, 而閥桿強行上提時, 常常出現閘板T形槽斷裂或變形, 避開“異常升壓”因素, 另有溫差與關閉力兩大原因值得注意。典型的溫差工況如閥門在冷態關閉熱態后再打開, 由于閥桿受熱膨脹伸長使閘板進一步壓緊, 增大閘板的關閉力矩,導致閘板楔住。如熱態關閉, 冷態打開時, 由于兩側閥座熱變形引起襠寬變大, 冷態則收縮變小, 從而導致閘板楔住。上述兩種狀態如伴隨“關閉力”過大, 即關得過緊, 如電裝驅動調試不當或不適當地使用增力機構如扳手或杠桿等, 則發生閘板楔住的幾率增大。
(2) 撞裂
閘板撞裂(或底部變形) 主要出現在Z944 /Z964平行板式結構產品中, 閘板底部直接撞擊閥體底部時發生, 多由于電動閥門電裝調試不當, 關閉行程未設限位或限位失靈時極易發生。
(3) 密封面裂紋
密封面裂紋主要出現在合金鋼材料的閥門中,常常由于工藝不合理導致。合理選材及合理控制焊接工藝參數可避免。
4、分析與對策
4.1、設計與制造
①國家標準中對閘閥無開度標識要求, 普通閥門只能憑手感判斷開度, 這在許多場合不盡合理。建議閥桿端部設計限位裝置, 防止閥門過度關閉。
②閥桿強度多處減弱, 承載能力降低。如螺紋退刀槽根部等, 這些部位在中腔異常升壓時常常最先斷裂。建議DN 350以上電動閥門閥桿直徑應適當加大, 同時加工裝配應提高支架上下同軸度, 并合理選擇電動裝置的啟閉力矩值。
③現行閘閥國家標準中對中腔異常升壓現象未涉及, 未提出設計內旁路或外旁路的要求, 導致升壓無法泄放, 使用中常出現事故。建議溫差較大時, 采用平板閥門為宜。
④采用鋁青銅制造閥桿螺母時, 當電裝轉速較快或啟閉較頻繁時會很快磨光螺紋牙面, 導致閥門無法動作。建議設計時適當增多牙數, 有效潤滑,并定期維護更換。對于重要閥門應采用合理的填料密封組合, 重要的配合面間隙(如自緊密封閥門的閥體與閥蓋的配合間隙、閥桿與填料壓蓋的配合間隙、填料壓蓋與閥蓋配合間隙等) 和位置公差(如閥蓋與支架的上下同軸度、法蘭螺孔位置度等) 應嚴格控制。
⑤限于目前的工藝水平, 建議重要的高溫高壓閥門殼體采用全鍛鋼或鍛焊結構制造。閥門的零部件材料應嚴格按照相關標準選用、檢測和處理。
⑥導軌加工時應去除棱角, 兩側保留充分的結合面, 以保證閘板嚴重偏移也不會脫離導軌。
⑦選擇合適的密封面材料和硬度匹配, 加工中保證表面粗糙度、平面度和吻合度符合要求。閥桿表面處理要達到設計要求, 以防其表面銹蝕、腐蝕或鍍層早期脫落。
4.2、安裝與調試
①建議在重要的高壓大口徑閥門上下游間增加旁路裝置以降低啟閉壓差, 減輕啟閉瞬間閘板對密封面的擦傷, 同時有利于減小電裝力矩, 降低制造成本。
②中腔安裝安全閥是控制異常升壓的有效措施, 既可保護閥門啟閉件, 又能維護系統的安全運行。另外在上游側與中腔間安裝外旁路或閘板上游一側開泄壓孔均是有效的可行手段。
③管道沖洗應徹底, 以免管內雜物(如鐵屑,焊渣, 焊條頭, 螺母等) 軋傷密封面。
④推薦閘閥閥桿垂直向上安裝, 傾斜安裝會增加閘板卡住的幾率。水平安裝時應有安裝支架支撐電裝, 并在安裝時校正閥桿。
⑤電動閘閥安裝調試時應由專業人員認真按要求操作。開啟行程過大或保護力矩過高的后果是拉斷閥桿或閥桿螺母卡住等。正確的做法是用手輪調定開啟位置, 用力矩保護, 一般保護力矩控制在20% ～30%。關閉行程過大, 啟閉力矩過大的后果是閘板在閥座中楔住, 而啟閉力矩過大則可能導致拉斷閥桿、閘板T 形槽斷裂、閥桿螺母卡住等。
正確的做法是用手輪調定關閉位置后適當上提閘板1～3mm (主要對高壓閥門) , 這樣可避免中腔異常升壓導致的開啟力矩過大。平板閘閥關閉行程過大常常會撞裂(或變形) 閘板。調試時調定其關閉行程位置即可, 并不需過大的關閉力矩。
4.3、運行與維護
①建議啟閉力矩大于400N ·m 的閥門應采用增力機構設計, 如齒輪機構、撞擊手輪、帶軸承的閥桿螺母等。電裝選型時應預留30% ～50%的力矩裕度, 不推薦采用氣動型楔式閘閥。
②自緊密封設計的閥門運行一段時間后應再緊固預緊螺栓, 防止壓力波動時閥蓋下沉引起介質外漏, 沖出自密封圈。運行過程中應對填料壓緊螺栓和中法蘭壓緊螺栓進行正常維護, 及時緊固。對軸承機構、各類螺紋處定期潤滑, 及時去除灰塵污垢。定期動作試驗(重要閥門應經常啟閉測試其動作性能, 防止銹蝕卡澀, 及時發現隱患) , 定期檢修(重要閥門應定期檢修, 檢查維護其密封面、驅動機構、密封圈等重要關鍵部位) ,建立設備維護記錄檔案。
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