閥門耐火密封結構設計分析

李偉，張建斌，楊玲玲，王曉鈞，李妍

（1.合肥通用機械研究院有限公司；2.合肥通用機電產品檢測院有限公司，安徽 合肥 230031）

閥門是石油化工生產工藝中重要的組成部分，很多重要工況均會使用到閥門，面對工況的特殊性，實際生產對閥門性能的要求十分嚴格，必須做到在火災發生后依然能夠保持良好的密封性與啟閉性能。針對閥門做耐火密封結構設計，需要以國內相關標準作為依據，確保結構設計符合耐火試驗標準，只有經過專業考核，才允許投入生產中使用，因此閥門的結構設計必須強調耐火試驗的重要性，保證閥門耐火性能符合生產要求。

1 閥門耐火試驗常見問題

（1）閥門外密封泄露。閥門在接受耐火試驗超過30min情況下，閥體表面溫度可以達到680 ～980℃，而閥體內部溫度則可以達到600℃以上，很容易燒毀密封件，法蘭與緊固件會受熱膨脹或者熱變形，導致閥門密封失效，泄露超標。

（2）閥座密封泄露。在長時間的高溫條件下，閥門將會出現閥座燒毀、閥座與閥體脫離甚至閥座變形等問題，這對閥門結構的密封性能影響甚大。

（3）閥門零件卡阻。閥門零件在高溫條件下會出現變形、膨脹以及應力釋放，進而導致閥門卡阻，無法完成正常的啟閉或密封操作，導致閥體密封失效，無法滿足工況密封基本要求。

（4）局部閥體開裂。閥體介質在高溫條件下會產生氣化，閥腔局部壓力急劇升高，最終造成閥體開裂出現泄露，無法達到專業密封標準。

2 閥門耐火試驗標準與要求

2.1 耐火試驗標準

閥門耐火試驗標準國內外之間存在一定差異，且不同標準考核的閥門類型不同，常用標準如我國各種閥門耐火試驗系統及方法要求標準JB/T6899-1993；美國石油學會制定的標準ANSI/API607-2005，主要針對的是軟閥座1/4 轉閥門；API6FA-1999 針對的是管線閥門與井口裝置；API5FD-1995針對的為止回閥，以及國際標準化組織制定的ISO 10497-2004 標準適用于各種閥門耐火試驗。

2.2 耐火試驗要求

（1）通用要求。國內外各種閥門耐火試驗的標準雖然各不相同，但是，通用要求卻是大體一致的。排除止回閥以外，對于被測閥門閥桿必須要按照水平位置安裝在試驗管道上，且閥門需要在關閉狀態下被檢測。管道以及被測閥門體腔內充滿水，且要求水壓達到標準數值，然后，將氣體燃料點燃，促使燃燒的火焰能夠完全包圍被測閥門，尤其是在規定時間內，閥體周圍的火焰溫度以及閥體各部位的溫度要達到設定溫度，并維持該條件持續燃燒30min 以上。試驗人員需要在燃燒期間檢查閥門的內外泄露狀態，在火燒結束后同樣需要對冷卻后的閥門做內、外泄露檢查。

（2）耐火試驗內容：①火燒期內泄漏。閥門火燒期內泄漏即于規定試驗壓力下持續火燒過程中閥座產生泄露，常見于軟密封閥座的閥門。在持續火燒條件下，閥體溫度快速升高，軟密封閥座被軟化甚至會完全熔化，這樣一旦閥座發生變形或者熔化，閥門便會出現內泄漏。當軟密封閥座完全熔化后，硬密封閥座無法保持良好的密封性，則在整個火燒期間均會持續發生內泄漏。其中，相比軟密封閥座，硬密封閥座閥門的內泄漏量更小。②火燒期外泄露。閥門火燒期外泄露即于規定試驗壓力條件下持續火燒過程中，閥體法蘭連接、螺紋連接以及閥桿密封等部位出現泄露。閥門在受到持續火燒后，其殼體、內件以及緊固件等受熱將會產生變形，進而會造成閥體內法蘭連接、閥體螺紋連接以及閥桿填料等部位產生外泄露。并且，閥門中腔內積存的水會因為持續火燒而不斷升溫直至氣化，導致腔體內壓力升高，在壓力泄放閥還未泄壓的情況下，各潛在外泄露處便有可能產生外泄露，情況嚴重的甚至會影響火燒試驗的繼續進行。

2.3 冷卻后低壓試驗

冷卻后低壓試驗即在結束火燒后，對閥門進行強制冷卻，在標準規定低壓試驗壓力下，測得閥門內泄漏與外泄露。按照相關標準，要求試驗閥門壓力級超過Class600 的不進行低壓試驗。閥門在經過火燒以及強制冷卻操作后，閥門各部件會因為溫度的驟然變化而產生形變，最后在經過強制冷卻后，就會發現閥門出現內泄漏和外泄漏。

2.4 操作試驗

操作試驗即在規定的試驗高壓下對閥門進行操作，將其由全關操作至半開或全開狀態，將管道內部的蒸汽全部排除干凈后向管內充滿水，且需要對下游管路進行封閉，最后，在標準規定的高壓試驗壓力下對閥門的外泄露進行測定。其中，針對止回閥的操作試驗，是對試驗閥門的進、出口端壓力進行調節，促使閥瓣動作后，將管道內部的蒸汽全部排除干凈后向管內充滿水，同時，將出口端管路封閉后，于規定試驗壓力下對閥門的外泄漏進行測量。閥門在經過火燒和強制冷卻以及高壓試驗壓力條件后進行操作，閥門裝配的各連接部位很容易產生外泄露。根據實踐經驗總結可知，閥門外泄露主要受密封墊片類型、工藝尺寸、閥桿填料以及緊固螺栓選擇等因素影響，需要將其作為閥門耐火結構設計的重點分析。

3 閥門耐火結構設計要點

（1）密封材料選擇。通過對閥門進行耐火密封試驗可知，產生外泄露的部位主要包括閥桿填料密封、中法蘭墊片密封以及與其他外部接觸的密封部位；而產生外泄露的部位主要就是閥座密封。為有效改善閥門的耐火密封性能，在對其進行結構設計時，首先，要做到的就是要選擇合適的密封材料，例如，閥體法蘭密封可選擇石棉類密封材料，其以石棉墊片或石棉橡膠板等形式密封，可滿足-100 ～500℃的工況條件；閥桿密封、閥座密封、閥體法蘭密封等則可以選擇適用橡膠類材料，以O 形圈、V 形圈以及各種墊片的形式密封，可滿足-30 ～150℃的工況條件；中高壓閥門以及密封要求高的閥門，則可以選擇石墨類材料，以石墨填料、石墨墊片以及各種增強類石墨密封件形式密封，能夠滿足-100 ～650℃的工況條件；對于溫度超過650℃工況中的閥門，密封則應選擇復合類材料，以各種金屬類纏繞墊片的形式密封，確保密封性能可以達到實際工況要求。通過比較可知，石棉類、石墨類以及復合類密封件耐火性能更加優越，可以用于石油化工閥門的常規密封或輔助密封，在進行閥門結構設計時，可以根據當地標準和工況要求靈活選擇。

（2）密封結構設計。

①中法蘭。在進行閥門耐火結構設計時，需要強調中法蘭的重要性，因為在閥門耐火試驗中，其實主要的外泄露點，據不完全統計，閥門中法蘭泄露可以占到總體泄露量的85%～97%。產生泄露的原因是高溫條件下，緊固件以及法蘭產生了高溫蠕變，密封系統應力減小，墊片殘余壓緊力降低，出現較大泄漏量最終密封失效。應盡量選擇與密封材料熱膨脹系數相近的法蘭和緊固件，避免因為材料之間熱膨脹系數不同對密封性能產生的不良影響。以常見的金屬纏繞石墨墊片為例，影響中法蘭密封件泄漏量的因素包括試驗溫度、設計壓力、墊片加工過程中殘余壓緊應力等，由此可確定墊片泄漏率：

其中，p 表示介質壓力；T 表示高溫試驗平均溫度；SG表示墊片加工殘余壓緊應力。

②閥座。耐火試驗中金屬密封閥座的閥門內泄漏量會增大，但大部分可以達到試驗標準。導致內泄漏的主要原因是閥座熱變形造成的閥座與閥體間的卡阻問題，在火燒結束輕質冷卻后閥門無法正常啟閉，或者是啟閉力矩過大，影響閥門正常操作。因此，在結構設計時，需要注意以閥門熱膨脹系數為標準，對閥桿和軸套進行計算，確認閥座與閥體等配合件之間的配合間隙，以免間隙配合轉化為過盈配合，而造成閥門啟閉力矩增大。

4 結語

石油化工行業所應用的閥門對密封性能要求十分嚴格，面對復雜的工況條件，為確保生產安全，要確認所用閥門密封性達標。因此，需要針對閥門耐火結構設計進行優化，排除設計因素造成的閥門內外泄漏問題，確保可以完全滿足實際生產要求。