風門密封的特征和失效問題的分析

孔慶民

摘要：風門雖然結構簡單，制作粗糙，但在密封工作方式、工作環境、密封面間流體的流動、密封面面積比、變形問題、密封間隙和流體靜壓效應等方面均有其自身的特點。

關鍵詞：插板式關斷風門；內密封；密封間隙；泄漏量；失效

概述

火力發電站鍋爐常用風門的形式有多種，從功能上來分有兩類：調節風門和開關風門（或稱為關斷風門）。從使用者的角度考慮，大多認為插板式的風門密封性能優于其它形式，因此現場應用較多，尤其在參數較高的系統。這種風門的插板與風門外殼體（可視為風道的組成部分）的間隙存在兩個方向的泄漏：向大氣環境的外漏和沿介質流動方向的內漏。本文結合一般機械密封的要求僅討論這種風門的內密封（或內漏）問題。

1.插板風門的密封特征

1.1結構特點

與通常的機械密封結構不同，風門的結構一般較為簡單，多為鉚焊的結構形式。密封面一般采用型材制作，很少有機械精加工面，表面粗糙。插板與周圍框架的上下端面形成密封副，密封面間隙填充石棉盤根實現密封面間的密封。普通的機械密封，《機械密封技術條件》（JB4127-85）中對密封面的各項技術條件都有明確的規定，其中密封面的平面度不大于0.9um，金屬材料的表面粗糙度為0.2um，非金屬表面的粗糙度為0.4um。通常的機械密封結構復雜。與此相比，風門的密封結構就簡陋得多。

1.2 密封的工作方式

通常的機械密端面密封應用于轉動設備的軸系，由動環和靜環組成一對密封副。正常工作時動環隨軸轉動。風門的密封只需要考慮關閉狀態下防止壓力介質的流通，密封面之間處于相對靜止的狀態。從這一點來說，風門的密封問題較轉動設備的機械端面密封簡單得多。

1.3 工作環境

風門的密封介質壓力一般不是很高，熱風最高壓力約20kPa，循環流化床鍋爐的高壓流化風壓力約50kPa，煙氣則略呈負壓。但是介質的溫度很高，熱風溫度約300℃，煙氣則隨位置的不同溫度在100～600℃不等。這與通常的機械端面密封有所區別。機械端面密封的工作介質壓力較高，但溫度較低[1]。

1.4 密封面間流體的流動特點

雖然風門的密封工作方式與通常的機械端面密封相比較為簡單，但仍然可以引用機械端面密封的相關理論，因為它們同屬于粘性流體的窄縫流動問題。由于風門間隙相對于密封周界小的多，相對于密封面寬度也小很多，因此，風門間隙內的流體流動可視為無限寬平板間的楔狀定常流動。

1.5 密封面面積比

密封流體作用的有效面積A2等于插板的面積，密封面面積等于插板在風門邊框槽內的面積Af，面積比B2=A2/Af。顯然B2大于1，風門的密封方式屬于非平衡式密封。

1.6 變形問題

由于風門結構的特殊性，在關斷狀態下，插板承受著較大的壓力：pA2，p為密封流體壓力。與其它機械密封相比，A2要大得多。因此pA2是密封面載荷的主要組成部分。風門密封面溫度相對均勻，雖然溫度較高，因無沿密封面溫度梯度，也就不存在該方向形變的差異問題。但是，高溫的作用降低了插板材料的強度，使其因壓力作用產生形變的量被放大。與冷態時相比，插板因壓力作用將產生沿流體壓力作用方向上的形變，從而對密封面間隙的形狀產生了影響。

2.密封失效問題分析

2.1 失效的判據[1]

密封泄漏量多大才算失效，這很大程度上取決于被密封介質性質和密封的工作環境，并沒有一個定量的標準。一般認為，當泄漏量為理論值的250倍時，該密封一定不正常。對于風門而言，能接受的最大泄漏量以不影響其它系統或設備的正常運轉為限。如磨煤機熱風門的漏風量導致磨煤機內部溫升不能超過磨煤機的啟動溫度限制，否則就認為密封失效，或風門關閉不嚴。

2.2 泄漏量的理論計算

從實質上說，風門密封屬于非接觸式。按照機械密封理論其密封面的“摩擦狀態”屬于“流體潤滑狀態”。通過平行平面縫隙壓差流產生的泄漏量可根據流體力學縫隙流動導出。兩種縫隙下的

對比兩個公式不難看出，在其它條件相同時，無論h2>h1（收斂間隙）還是h22.3 密封失效原因分析

風門在應用中出現密封失效的問題，究其原因大致有如下三個方面：

2.3.1難以做到接觸式密封

按照機械密封對接觸面的要求，密封面間隙約在0.5～1um。而在風門中的密封間隙約是這一數值的100～1000倍，即密封處于開啟狀態。

制造加工過程中精度較差，密封面間隙過大，達不到密封要求。雖然在密封面間會填充一些石棉類物質以求達到密封面的緊密接觸，但由于其強度太差，在風蝕的作用下這些物質難以持久，最終造成了密封面被打開，泄漏量過大，密封失效。

2.3.2收斂形密封面

如2.2所說，應盡量遵循平行面原則以降低泄漏量。根據1.6的討論，在壓差的作用下插板總會產生沿流動方向的變形，使風門密封面間隙呈收斂形，從而使得泄露量加大。

2.3.3風門的動作誤差

熱風和煙氣中含有一定量的灰塵，如果設計不當，這些灰塵會在插板通道內沉積下來。隨著灰塵量增加，可能會堵塞插板通道。這樣風門在關閉時動作不完整，關不到位，形成縫隙，造成泄漏。

3.小結

風門密封屬于靜態接觸式密封，其流體流動屬于粘性流體的窄縫流動，與普通機械端面密封相比，無論在結構上還是在密封機理上都要簡單得多。高參數是機械密封發展的方向。因此，不論設計制造方還是應用方都很少有人關注風門一類設備的密封問題。風門密封雖然簡單，仍有自身的一些特點，應用中也已經出現了影響系統或設備正常啟動的密封失效問題。因此，對風門的密封問題應該給與一定的關注，結合其應用特點做專門的設計，以保證其密封的可靠性。

參考文獻：

[1]顧永泉.機械密封實用技術.北京：機械工業出版社，2001.7.