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(yōu)點(diǎn)越來越廣泛地應(yīng)用于各類工業(yè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的開啟與關(guān)閉,為系統(tǒng)的穩(wěn)定與控制發(fā)揮了重要的作用。
2、分類
以國產(chǎn)常見標(biāo)準(zhǔn)的明桿閘閥的閘板形式分類(新結(jié)構(gòu)未列入) ,其主要有Z40、Z41、Z42和Z44等結(jié)構(gòu)(圖1) 。用戶選型時(shí)應(yīng)以工況要求為原則,參考選擇合適型號。并在安裝、調(diào)試和維護(hù)等方面規(guī)范操作,以避免或杜絕事故的發(fā)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(fā)生在上下螺紋根部,此處截面積最小,易出現(xiàn)應(yīng)力集中及超標(biāo)現(xiàn)象。尤其當(dāng)工作條件較大地偏離設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)。如某電廠曾多次發(fā)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(diào)查發(fā)現(xiàn),閥門的閥蓋預(yù)緊螺母松動,閥蓋上移,閥桿螺母卡住,顯然這是電裝行程調(diào)試過位,保護(hù)力矩過大引起的事故。
另一類閥桿斷裂事故則發(fā)生于開啟瞬間。表現(xiàn)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(rèn)為是閘板卡住,這其實(shí)只是部分原因或次要原因。一個重要原因是閥體中腔關(guān)閉后的異常升壓,亦即閥門關(guān)閉后,封閉于上下游兩側(cè)密封面之間的中腔流體壓力遠(yuǎn)高于上游壓力的現(xiàn)象。
產(chǎn)生這種現(xiàn)象有兩種原因。其一中腔流體被上游流體加熱升溫發(fā)生膨脹,導(dǎo)致壓力劇烈升高。其二閘板關(guān)閉瞬間流體封閉于中腔,無法外流,中腔空間被閥桿進(jìn)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(xiàn)象尤其易發(fā)生在發(fā)電廠的Z962類主給水閘閥上。同時(shí),其異常升壓一般會成幾何級數(shù)增加,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過閥桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限。
(2) 變形
閥桿彎曲一般出現(xiàn)在電動閥門電裝調(diào)試不當(dāng)時(shí), 如關(guān)閉力矩過大又未設(shè)行程保護(hù)或失調(diào)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(guī)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(yùn)行中會隨時(shí)暴露, 成為威脅安全運(yùn)行的隱患。某電廠2007年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明, 閥門外漏事故中, 37%為殼體鑄造缺陷引發(fā)。其余則為閥桿、中法蘭及端法蘭密封出現(xiàn)故障引發(fā)。
密封件損壞也將導(dǎo)致系統(tǒng)介質(zhì)大量外漏。如閥桿密封處外漏一般由填料壓板的活節(jié)螺栓未及時(shí)壓緊引起, 一旦發(fā)生常導(dǎo)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(dāng)被介質(zhì)腐蝕或填料不合格腐蝕了閥桿密封表面。閥桿上下運(yùn)動會由其表面銹蝕處帶出填料微粒, 反復(fù)多次即出現(xiàn)填料間隙泄漏, 此時(shí)如維護(hù)不當(dāng), 高壓或高速介質(zhì)在極短時(shí)間內(nèi)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(yīng)防止此類情況的發(fā)生。再一個原因也常引起介質(zhì)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(yùn)動過程中, 會因間隙過大反復(fù)摩擦填料帶出微末, 最終使填料壓緊比壓下降, 導(dǎo)致泄漏。
(2) 內(nèi)漏
引起閥門內(nèi)漏的原因很多, 新閥門運(yùn)行不久即發(fā)生內(nèi)漏和關(guān)不到位, 應(yīng)為密封面夾雜異物。因此新安裝閥門產(chǎn)品投運(yùn)前認(rèn)真檢查, 仔細(xì)沖管可減輕這類事故的發(fā)生。
3.3、閘板故障
(1) 卡塞
閘板卡塞表現(xiàn)為閘板卡在閥體中腔導(dǎo)軌側(cè), 甚至與閥桿脫離, 主要因設(shè)計(jì)制造不良引發(fā), 如導(dǎo)軌接觸寬度過短或過長, 導(dǎo)軌表面粗糙等。當(dāng)閘板卡塞在閥座中, 而閥桿強(qiáng)行上提時(shí), 常常出現(xiàn)閘板T形槽斷裂或變形, 避開“異常升壓”因素, 另有溫差與關(guān)閉力兩大原因值得注意。典型的溫差工況如閥門在冷態(tài)關(guān)閉熱態(tài)后再打開, 由于閥桿受熱膨脹伸長使閘板進(jìn)一步壓緊, 增大閘板的關(guān)閉力矩,導(dǎo)致閘板楔住。如熱態(tài)關(guān)閉, 冷態(tài)打開時(shí), 由于兩側(cè)閥座熱變形引起襠寬變大, 冷態(tài)則收縮變小, 從而導(dǎo)致閘板楔住。上述兩種狀態(tài)如伴隨“關(guān)閉力”過大, 即關(guān)得過緊, 如電裝驅(qū)動調(diào)試不當(dāng)或不適當(dāng)?shù)厥褂迷隽C(jī)構(gòu)如扳手或杠桿等, 則發(fā)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(xiàn)在Z944 /Z964平行板式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中, 閘板底部直接撞擊閥體底部時(shí)發(fā)生, 多由于電動閥門電裝調(diào)試不當(dāng), 關(guān)閉行程未設(shè)限位或限位失靈時(shí)極易發(fā)生。
(3) 密封面裂紋
密封面裂紋主要出現(xiàn)在合金鋼材料的閥門中,常常由于工藝不合理導(dǎo)致。合理選材及合理控制焊接工藝參數(shù)可避免。
4、分析與對策
4.1、設(shè)計(jì)與制造
①國家標(biāo)準(zhǔn)中對閘閥無開度標(biāo)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(shè)計(jì)限位裝置, 防止閥門過度關(guān)閉。
②閥桿強(qiáng)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(shí)常常最先斷裂。建議DN 350以上電動閥門閥桿直徑應(yīng)適當(dāng)加大, 同時(shí)加工裝配應(yīng)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(xiàn)行閘閥國家標(biāo)準(zhǔn)中對中腔異常升壓現(xiàn)象未涉及, 未提出設(shè)計(jì)內(nèi)旁路或外旁路的要求, 導(dǎo)致升壓無法泄放, 使用中常出現(xiàn)事故。建議溫差較大時(shí), 采用平板閥門為宜。
④采用鋁青銅制造閥桿螺母時(shí), 當(dāng)電裝轉(zhuǎn)速較快或啟閉較頻繁時(shí)會很快磨光螺紋牙面, 導(dǎo)致閥門無法動作。建議設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增多牙數(shù), 有效潤滑,并定期維護(hù)更換。對于重要閥門應(yīng)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(yīng)嚴(yán)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(jié)構(gòu)制造。閥門的零部件材料應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用、檢測和處理。
⑥導(dǎo)軌加工時(shí)應(yīng)去除棱角, 兩側(cè)保留充分的結(jié)合面, 以保證閘板嚴(yán)重偏移也不會脫離導(dǎo)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(dá)到設(shè)計(jì)要求, 以防其表面銹蝕、腐蝕或鍍層早期脫落。
4.2、安裝與調(diào)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(shí)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(hù)閥門啟閉件, 又能維護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。另外在上游側(cè)與中腔間安裝外旁路或閘板上游一側(cè)開泄壓孔均是有效的可行手段。
③管道沖洗應(yīng)徹底, 以免管內(nèi)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(shí)應(yīng)有安裝支架支撐電裝, 并在安裝時(shí)校正閥桿。
⑤電動閘閥安裝調(diào)試時(shí)應(yīng)由專業(yè)人員認(rèn)真按要求操作。開啟行程過大或保護(hù)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(diào)定開啟位置, 用力矩保護(hù), 一般保護(hù)力矩控制在20% ～30%。關(guān)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(dǎo)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(diào)定關(guān)閉位置后適當(dāng)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(dǎo)致的開啟力矩過大。平板閘閥關(guān)閉行程過大常常會撞裂(或變形) 閘板。調(diào)試時(shí)調(diào)定其關(guān)閉行程位置即可, 并不需過大的關(guān)閉力矩。
4.3、運(yùn)行與維護(hù)
①建議啟閉力矩大于400N ·m 的閥門應(yīng)采用增力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì), 如齒輪機(jī)構(gòu)、撞擊手輪、帶軸承的閥桿螺母等。電裝選型時(shí)應(yīng)預(yù)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(shè)計(jì)的閥門運(yùn)行一段時(shí)間后應(yīng)再緊固預(yù)緊螺栓, 防止壓力波動時(shí)閥蓋下沉引起介質(zhì)外漏, 沖出自密封圈。運(yùn)行過程中應(yīng)對填料壓緊螺栓和中法蘭壓緊螺栓進(jìn)行正常維護(hù), 及時(shí)緊固。對軸承機(jī)構(gòu)、各類螺紋處定期潤滑, 及時(shí)去除灰塵污垢。定期動作試驗(yàn)(重要閥門應(yīng)經(jīng)常啟閉測試其動作性能, 防止銹蝕卡澀, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患) , 定期檢修(重要閥門應(yīng)定期檢修, 檢查維護(hù)其密封面、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、密封圈等重要關(guān)鍵部位) ,建立設(shè)備維護(hù)記錄檔案。
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