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流的理想閥門，也可以安裝在油泵出口起調節控制流量的作用，該閥門結構緊湊，啟閉力矩小，密封性能好，流阻系數小，使用壽命長，是油氣等截止管線理想的配套產品。而對于原油開采和冶煉時，介質的溫度通常較高，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，出現膨脹導致間隙變化，同時材料物理性能如強度、硬度和塑性等也會變化，易出現卡死、螺栓松弛、密封失效泄漏等現象，導致閥體無法正常工作。為此，高溫閥門在設計、制造、安裝、使用等方面應綜合考慮各種有利因素，如內件的材質用料、硬化層的工藝、結構設計、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設計提供借鑒和指導。

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不同程度的改變，導致設計的零件間隙和配合關系發生變化。間隙變小就會造成零件間出現擠壓力，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力矩；而間隙變大會減小結合面間的密封性，造成泄露，引發事故。

1.2 熱交變殘余應力和熱疲勞

高溫平板閘閥在使用的過程中溫度會受到介質通斷、流量和外界環境溫度的影響，出現波動，造成熱交變現象。熱交變會引起閥體零件表面和內部的殘余應力發生變化，促使零件疲勞失效。當殘余應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力的零件，在收到熱沖擊后易發生斷裂破壞。

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生影響，主要表現在以下兩方面：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%，而塑形出現一定的波動但基本保持不變。當溫度超過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明顯的軟化，當溫度達到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致密封面易出現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，而沖刷腐蝕產生的凹坑將在后期流體交變載荷的作用下易誘發微裂紋，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件溫度差導致的熱膨脹量的差異，法蘭產生較大的向外張口角，在螺栓上產生向里的彎曲力，造成墊片內側被擠壓變形。

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

1.5 密封結構失效

常溫平板閘閥通過預緊螺栓進行擰緊，使閥蓋對密封環產生一個向下的壓力，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不一致，導致閥蓋和閥體熱膨脹量不一樣，因此在密封區域會出現縫隙，預緊螺栓也易出現熱松弛，導致密封失效。

2 高溫平板閘閥改進與優化

針對高溫平板閘閥在使用過程出現的各種問題，許多學者從創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閥體力學性能的提升。

(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和高溫力學性能(包括強度，硬度和耐熱沖擊韌性等)。對于熱膨脹系數，相同條件下選擇熱膨脹系數較小的材料[2]，便于后期對閥內零件配合的間隙設計，同時膨脹系數較小時在相同溫升下熱膨脹量較小，出現卡死的幾率相對更小。另外，選擇閥體材料熱膨脹系數要盡量與閥內零件的熱膨脹系數相近，這樣在熱脹冷縮的過程中使整個閥門內零件變化量一致。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)高溫閥體厚度設計。閥體設計過程中，應充分考慮實際應用環節可能出現的最極端的使用條件，并將其設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 閘板結構改進與優化

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。除了對閥板結構進行改進外，國內外學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。針對高溫閥出現的問題，許多學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境，減少高溫對閘板內部材料的影響。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 密封結構的改進和優化

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。石墨材質較軟，易根據外界受力發生形變起到密封作用，耐化學腐蝕，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出了膨脹石墨盤根和增強型石墨盤根兩類。

墊片結構改進。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，金屬纏繞墊片結構密度可依據不同的鎖緊力要求來制作，并利用內外鋼環來控制其最大壓緊度，同時能夠對管道系統的壓力熱循環和振動進行自動調整，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。

閥蓋密封結構改進。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。如針對閥座與導向在熱交變出現松動導致的密封性缺失，研究人員提出將閥座和導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的問題，學者提出采用伍德密封方式。同時針對交變熱應力導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構。通過在填料下方放置補償性預壓的彈簧(通過緊固螺栓螺母的預緊力實現)和組合式石墨盤根，實現在高溫下填料密封力的保持，即使石墨填料和閥桿出現摩擦性磨損，圈形彈簧能即時作出相應的補償性調節，保證閥門不發生外漏情況。

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。此時密封面會出現劃傷甚至塑性變形，導致密封失效。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，未做系統性的分析設計。針對目前高溫平板閘閥的研究發展趨勢，本文預測未來的研究方向將重點從以下幾個方面展開：系統性熱分析。目前的高溫平板閘閥試驗成本和風險較大，很多企業都是根據用戶反饋問題后再進行閥體優化，因此有必要進行系統性的熱分析。結構改進。通過設計合理的結構，解決高溫引發的各類問題，是目前優化高溫平板閘閥性能成本最低的辦法。密封材料研發。密封性是閥體正常工作的基礎，進一步研發密封材料，實現高溫下的可靠密封具有重要意義。新材料應用。通過在高溫平板閘閥中運用如陶瓷、鋁基碳化硅和纖維復合材料等新材料，有望大幅提升閥體的耐高溫性能。