關于汽提塔出口液位調節閥填料密封失效的改進研究

毛大軍，陳松華

(1.呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021506；2.中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素裝置有近百臺儀表調節閥，涉及到的介質有循環水、蒸汽、工藝冷凝液、二氧化碳、空氣、液氨、甲銨、尿液等。腐蝕性大、易結晶是尿素裝置的主要特點，每臺調節閥根據工藝介質、溫度、壓力的不同，加之各個調節閥制造廠家設計標準不一致，其閥桿密封填料設計也有所不同。

調節閥是化工生產裝置上的重要單元，在自動控制系統中擔任著重要的任務。調節閥由執行機構和閥體部件組成，通過控制閥門開度的大小，實現介質流量、壓力和液位等參數的調節。調節閥分電動、氣動、液動三種。調節閥不允許有外漏現象，而外漏的主要途徑之一是介質從閥桿處泄漏，為防止這種情況的發生，通常在閥桿處采用填料密封。本文結合實際工況，主要針對尿素裝置控制汽提塔液位的氣動調節閥多次出現填料密封失效的問題，提出改進措施。

該閥儀表位號是LV2102，由荷蘭斯塔米卡邦(Stamicarbon)公司成套供貨，雙膜頭執行機構，不能在線更換填料，只能解體后更換填料。調節閥LV2102在運行不到一個月的時間就出現了填料密封失效的問題，且經緊固填料螺母后問題依然存在。

1 調節閥的結構特點

1.1 調節閥的組成

LV2102調節閥是氣開閥，執行機構附件主要由手輪、空氣過濾減壓閥、電磁閥、閥門定位器、氣動放大器等組成。氣源發生故障時，可用手輪將閥門開到一定的開度，電磁閥主要用于聯鎖保護，氣動放大器使執行機構快速響應，閥門定位器使閥位能夠按控制器輸出的信號進行精確定位。閥體部件主要由閥腔、閥芯、閥桿、填料函體等組成，調節閥結構示意見圖1。

圖1 調節閥結構示意

1.2 填料函體的結構

該閥的閥體部件結構特殊，閥座與閥腔為一體，上閥蓋由填料函體和獨立法蘭組成。獨立法蘭的作用是將填料函體和閥體緊密連接，防止高壓介質從上閥蓋噴出。填料函體的填料密封結構示意見圖2。

圖2 填料密封結構示意

根據填料密封結構示意圖可知，填料在壓蓋的壓力作用下，經軸套產生一定的徑向力，使其緊密與閥桿和閥蓋接觸，從而防止介質外漏。徑向壓力的計算式為：

式中：Pr為填料徑向壓力，MPa；P0為填料壓蓋處軸向壓力，MPa；k為填料的應力系數；d1為閥桿直徑，mm；d0為填料函孔徑，mm；S為填料深度，mm；u1為填料與閥桿間的動摩擦因數；u2為填料與填料函間的靜摩擦因數。

填料的應力系數k取決于軸向壓力，是確定填料高度的一個重要因素。根據填料密封結構示意圖及徑向壓力的計算式可知，填料最大徑向壓力Prmax在填料與壓蓋接觸處(不考慮軸套與壓蓋、閥桿間的摩擦)，隨著填料高度的增加，徑向壓力Pr按指數規律降低，所以最小徑向應力Prmin在填料與墊片接觸處。

2 影響填料密封失效的因素

2.1 調節閥動作頻繁

調節閥在自動控制模式下時，會出現液位變送器指示波動較大、PID參數設置不合適、調節閥定位器動作不靈敏等問題，將導致閥門波動厲害，閥桿動作頻繁。調節閥在運行一段時間后，填料會有一定程度的磨損，閥桿與填料處的間隙增大，導致介質從填料處泄漏。

2.2 填料的選用、設計不合理

當調節閥填料的選用、設計不合理時(比如安裝不到位、填料選用錯誤、未考慮介質的特性和使用工況等因素),將導致填料密封不嚴而出現泄漏。

2.3 閥桿處有劃痕

在調節閥運行過程中，介質內有固體顆粒(比如微小金屬顆粒)，或是在初始裝配時，閥桿、填料中有雜質，當調節閥運行一段時間后，將導致閥桿磨損、填料損壞，閥桿與填料處出現泄漏。

3 原因分析

LV2102作為汽提塔的液位控制閥，從合成塔R201來的尿液進入汽提塔E201頂部，經汽提塔內的液體分配器將尿液均勻地分配到每一根列管中，并以液膜狀態沿壁往下降，為防止CO2氣體串流到循環系統，在汽提塔底部保持20%～40%的液位，液位由LV2102控制，調節閥的工藝參數見表1。

表1 LV2102調節閥工藝參數

經檢查確認，調節閥動作平穩，順暢。汽提塔液位測量采用雷達液位計，實際測量范圍1.866～0.766m，即液位高度1.1m，汽提塔直徑2.82m，所以液位變化較快，控制要求較高，生產過程中，汽提塔的液位一直處于自動控制模式，閥桿動作比較頻繁。3臺氣化爐運行時，閥門開度在20%～30%之間，填料磨損較快。

填料處出現介質泄漏后，對填料壓蓋進行了緊固加壓，但效果并不明顯。解體調節閥，對填料進行了檢查，發現密封填料為四氟盤根，盤根接頭切口角度為45°，各層接頭均錯開180°，原始填料結構見圖3。

圖3 調節閥原始填料結構

尿素分子式 CH4ON2為無色結晶或白色結晶性粉末，易溶于水。當溫度大于60℃時，尿素在酸性、堿性、中性溶液中易發生水解，水解的速度和程度都隨溫度的升高而增大，腐蝕性強。尿素的主要反應方程式如下：

2NH3(液)+CO2(氣)=NH4COONH2(液)

NH4COONH2= CO( NH2)2(液)+H2O

結合尿素介質的特性，正確選用填料材質非常關鍵。石墨雖有很好的耐磨性和自潤滑性，耐高溫和低溫，適用溫度-200℃～1600℃，但工藝介質中含有強腐蝕性的尿液、甲銨等，石墨填料容易污染介質，且不適用于高濃度、強氧化性介質的工況，易出現腐蝕失效。

聚四氟乙烯填料潤滑性好，具有較高的耐磨性，抗化學腐蝕性能好，不黏附性好，有較低的摩擦系數和較寬的工作溫度范圍，可用于各種酸堿等腐蝕性介質的工況，適用溫度-40℃～230℃。

對填料的選用要求是要有一定的塑性，在軸向壓力的作用下能產生一定的徑向壓力，要有抵抗溫度變化、抗蠕變、抗松弛等能力。此外，還要有足夠的化學穩定性和抗氧化能力，不污染介質，不被介質泡漲，不腐蝕閥桿，摩擦因數小，且在閥桿有少量偏心時，填料應有足夠的浮動彈性。根據尿液的化學特性，首先考慮的是腐蝕性，選用聚四氟乙烯填料最為合適。該材質潤滑性好，抗化學腐蝕性能好，有較低的摩擦系數，而且使用的溫度范圍也滿足要求。但四氟盤根填料的自密封性不強，僅靠壓蓋的軸向力使填料產生徑向壓力，而且裝置開停車頻繁，工藝管線內的溫度、壓力變化較快，四氟盤根填料使用一段時間后，填料與閥桿處的間隙就會增大，加之每一層四氟盤根都有切口，介質很有可能從各層填料的切口處流出，導致介質從填料處泄漏。因此，對聚四氟乙烯填料的結構形式進行了重新設計。

5 處理措施

5.1 填料的設計

聚四氟乙烯填料滿足工藝要求，選好填料材質后，關鍵是對填料密封的結構形式進行設計，扁平結構的四氟盤根填料見圖4，根據徑向壓力的計算式(1)可知，隨著填料高度的增加，徑向壓力Pr呈指數規律降低，而且四氟盤根填料向兩側的延展性弱，變形量小，四氟盤根填料與閥桿及填料函內壁的密封效果較差。

圖4 扁平狀四氟盤根填料結構

為了使聚四氟乙烯填料起到良好的密封效果，將填料設計成V型環狀(見圖5)。

圖5 V型環狀四氟填料結構

圖5從下至上依次為底座填料、中間層填料、頂部填料。底座填料的唇部角度61.80°，而與之相鄰的中間層填料的唇部角度為58.50°，當中間層填料與底部填料接觸時，由于中間層填料的唇部角度小于底部填料的唇部角度，且各填料的頂角相同(都是123.60°)，因此，在V型填料的唇尖部會向兩側產生一定的變形量，這種變形只發生在唇的尖部，在填料函內壁及閥桿處形成接觸壓力。假如此時不施加壓力，唇部仍能封住一定內壓，當唇尖在內壓的作用下向閥桿和填料函內壁擠壓，形成了較高的接觸壓力時，介質便難以通過，即使通過了第一個填料，內壓損失也會很大，在通過第二、三個填料時，內壓損失更大。V型填料安裝的開口方向取決于設備內的壓力條件，當設備內屬于負壓時，V型填料的開口朝上；當設備內屬于正壓時，V型填料的開口朝下，便于更好地密封，這就是V型填料的自密封作用。

5.2 填料的制作

根據填料函體內徑及閥桿直徑的實際測量，找到合適的四氟棒材。根據測量得知：填料函體內徑為55.04mm，閥桿直徑為39.84mm。填料內徑大、外徑小，起不到良好的密封效果，如果填料內徑過小、外徑過大，將面臨安裝困難的問題，而且還有可能出現損壞填料、填料安裝不到位、加大執行機構的推力等問題，填料內徑應該比閥桿直徑略小，外徑應該比填料函內徑略大，這樣才能起到良好的密封效果。因此，實際加工的V型填料環內徑為39.80mm，外徑為55.08mm，V型環狀四氟填料加工尺寸見圖6。

圖6 V型環狀四氟填料加工尺寸

5.3 填料的安裝

制作加工完成后，每加工一批填料都要進行試裝，避免因加工時產生的誤差而導致填料不能滿足要求，加工成形的V型環狀四氟填料見圖7。該閥填料的安裝要求高，必須確保每一個填料安裝到位，因此，安裝填料前先準備好一根合適的鍍鋅管，并保證內外表面都不能有毛刺，避免劃傷閥桿或填料腔室。記錄好填料腔室的總高度、螺紋填料壓蓋的長度、單個填料及多個填料的高度，可單個填料添加，也可將3～5個一起添加。安裝時先放底座填料(圖7左下第一個填料環)，再放其余開口朝下的填料(圖7除第一列以外的所有填料環)，每加一組填料都要檢查確認是否到位，必須保證填料到位后方可添加下一組填料，最后一個填料為頂部填料(圖7左上第一個填料環)。填料的高度加至能安裝上導向套，金屬軸套后，螺紋填料壓蓋還能進入總螺紋深度的四分之一。

圖7 加工成形的V型環狀四氟填料

6 結語

在很多時候，施工人員對調節閥填料的外漏現象并未引起重視，但實際上，填料處介質外漏是非常危險的，輕則引起系統停車(比如高溫、高壓的介質環境、蒸汽、合成高壓系統氨、甲銨、尿液等)，重則造成設備損壞、人員傷亡(比如有毒、可燃氣體外漏引起爆炸或人員窒息等)，將給公司帶來不可估量的損失。

根椐不同工況，選擇合適的填料材料，合理設計填料的結構及尺寸，嚴格把控好填料的安裝要求，才能起到良好的密封效果，確保閥門長期、安全、穩定地運行。

經重新設計加工的V型環狀四氟填料，從2014年5月投用至今，填料的密封效果仍處于良好狀態，這對其他類似工況閥門的填料密封處理有很好的借鑒意義。