調(diào)節(jié)閥閥桿密封泄漏分析及處理

孫 營 王運喜 詹瑜濱 劉喜陽

某核電廠1/2號機組主蒸汽至除氧器進汽調(diào)節(jié)閥ADG101VV用于將主蒸汽壓力由6.7MPa減壓至0.8MPa作為除氧器的備用加熱汽源，用于除去凝結(jié)水中的氧和二氧化碳等非冷凝氣體，以便隨時滿足蒸汽發(fā)生器所需要的給水，保證蒸汽發(fā)生器的安全運行。但是，目前1/2ADG101VV填料密封處頻繁泄露，經(jīng)統(tǒng)計從2014年1月至2015年12月底，1/2機組兩臺ADG101VV閥門相關(guān)糾正性檢修工單共35份，其中填料泄漏缺陷單有24份缺陷量的70%。2015年7月8日，2ADG101VV曾出現(xiàn)過填料密封失效，造成大量高溫高壓蒸汽呈噴射狀泄漏，存在極大的安全隱患。

一、填料密封機理

對于調(diào)節(jié)閥的填料，既需要保證良好的密封效果，同時也要閥桿不存在卡澀而影響到其調(diào)節(jié)性，這就需要“軸承效應(yīng)”和“迷宮效應(yīng)”的綜合作用。一方面，填料的磨損會增加填料與閥桿之間的環(huán)形間隙進而引起介質(zhì)的泄漏，縮短填料的密封壽命；另一方面，摩擦力的大小直接關(guān)系到設(shè)備運行過程中的可操作性及能耗問題。可見調(diào)節(jié)閥填料密封的泄漏，主要是由填料受密封力與摩擦力不合理所導致的，要解決填料密封泄漏問題，就必須弄清楚填料的受力情況。

二、填料受力分析

圖1 填料受力分析圖

假設(shè)當壓緊填料壓蓋時填料微元dx在x位置受到的軸向壓力為σx,在x+dx位置軸向壓力為σx+dσx。此時，填料受壓軸向壓力產(chǎn)生的變形對閥桿表面和填料函內(nèi)壁均會產(chǎn)生徑向作用力，分別記為q1(x)、q2(x)。根據(jù)胡克定律和摩擦定律可得填料與閥桿和填料函內(nèi)壁的摩擦力分別為：

F1=μ1·q1(x)·(2πd·dx)

F2=μ2·q2(x)·(2πD·dx)

(一)填料密封的摩擦力。當填料與閥桿相對回轉(zhuǎn)或往復(fù)運動，填料與閥桿間為動摩擦，動摩擦系數(shù)一般為0.04～0.08，比靜摩擦系數(shù)小得多可以忽略，即μ1=0；填料與填料函內(nèi)壁為靜摩擦；當填料密封兩側(cè)存在著流體泄漏的推動力，或者存在流動阻力非無窮大即存在泄露路徑時，如果此時填料密封裝置不能控制兩側(cè)的均衡，就意味著密封失效。因此減少或消除其中的任何一個因素，都可以達到減少或消除泄漏的效果。

(二)填料壓蓋的緊固力。填料與閥桿、填料與填料函內(nèi)壁之間的徑向應(yīng)力足以使介質(zhì)不可能沿其流動，即填料函底部的徑向應(yīng)力恒不小于介質(zhì)的壓力p時，填料具有密封作用。

在工況條件一定的情況下，一方面填料與閥桿、填料函之間的徑向應(yīng)力沿填料軸向長度向填料函底部成指數(shù)規(guī)律遞減，且在壓蓋處最大；另一方面隨著介質(zhì)的壓力升高，需要壓緊壓蓋的力也會隨之增大。

填料密封摩擦力和密封力的大小均與下列幾個參數(shù)有關(guān)。

1.填料材質(zhì)性能參數(shù)。填料材質(zhì)要有適合工況的抗溫度變化、抗蠕變和抗松馳等能力，要有足夠的化學穩(wěn)定性；填料材質(zhì)要有一定的塑性，否則在軸向壓力的作用下無法產(chǎn)生所需的徑向壓力，且在閥桿有少量偏心時，填料不具有足夠的浮動彈性；耐磨性能不良，將引起填料和閥桿產(chǎn)生異常磨損引起泄漏。

2.填料結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。摩擦產(chǎn)生熱量，是通過填料環(huán)徑向由內(nèi)向外的路徑進行擴散。當填料環(huán)的厚度過大時，由于散熱路徑增加而變得不易傳出。同時，如果填料環(huán)數(shù)量過多，其相對運動接觸面就會增大，摩擦產(chǎn)生的熱量也會增加，散熱壓力也隨之進一步增加。因此，通常情況下就要求填料環(huán)的內(nèi)徑要比閥桿直徑大0.1～0.3mm，而填料環(huán)外徑比填料函內(nèi)徑小0.1～0.3mm。

3.填料密封所需的預(yù)緊力。預(yù)緊力是保證密封的主要因素，當力矩過大時會引起填料徑向變形過大，使填料與閥桿間隙過小而介質(zhì)無法形成起潤滑作用的液膜。此時填料與閥桿有相對運動的接觸面呈干摩擦狀態(tài)，摩擦力增大而加劇填料磨損進程。此外，不正確的填料安裝方法和力矩加載方式，都有可能引起填料徑向的擠壓應(yīng)力沿軸向分布不均勻，同樣會使填料的使用壽命大大縮短。

4.填料與閥桿、填料函內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)。填料摩擦系數(shù)主要是由閥桿及填料函表面粗糙度以及填料材質(zhì)自身的耐磨性能所決定的。閥桿核填料函的粗糙度大，摩擦系數(shù)就越大；填料密度越低，耐磨性越差。兩者都會使摩擦加劇，填料失效加速。

三、ADG101VV填料密封泄漏處理方案

對ADG101VV所用填料進行受力計算。已知閥門閥桿19mm，原所用填料參數(shù)外徑D1=31.5mm，內(nèi)徑d1=19.1mm，填料壓蓋螺栓2顆M16，載荷系數(shù)取k=0.2。根據(jù)廠家提供參數(shù)信息確定密封比壓y1=35～55MPa，側(cè)壓系數(shù)K1=0.9～1，摩擦系數(shù)μc1≤0.08。正常運行工況下介質(zhì)壓力p=6.7MP。根據(jù)上述分析，計算填料壓蓋螺栓緊固力矩過程如下為：

計算ADG101VV填料截斷泄漏介質(zhì)所需的壓緊載荷：

此時，將填料壓蓋將填料壓實需施加的載荷：

取F=F1″，可得螺栓緊固力矩:

如果填料壓蓋螺栓緊固力取填料壓蓋將填料壓實時施加的載荷，那么此時填料的軸向應(yīng)力等于填料的密封比壓，即：

σD1=y1=35～55MPa。

根據(jù)已知填料參數(shù)，可計算出此時填料與閥桿之間的摩擦力為:

Fc1=μc1πdσD1L1K1=4,810～7,560N

因此，在保證檢查填料函及閥桿表面精度滿足要求的情況下，主要從填料的性能、結(jié)構(gòu)及填料壓緊力矩三個方面上制定處理方案，從而使密封力與摩擦力均衡。

圖2 AV-6與AV-8填料耐磨性能試驗曲線

首先將填料由編織填料AV-6更改為先以一定的壓力進行預(yù)壓縮的成型壓制填料AV-8如圖3，兩組填料在相同的壓緊力作用下，泄漏量級摩擦力試驗曲線。上述對比說明預(yù)壓后的填料AV-8緊密程度增加，其耐磨性能提高，介質(zhì)泄漏的阻力增大，密封效果明顯改善。因為不同的填料其側(cè)壓系數(shù)和回彈性能不同，再次嘗試將AV-6和AV-8進行混合使用并在相同狀態(tài)進行試驗比對。

圖3 新舊填料形式對比及組合填料試驗曲線

由組合后的填料試驗曲線可以看出，組合填料其耐磨性能相比單一填料有了明顯提高。同時，它的摩擦力曲線相對較為平緩，未出現(xiàn)較大的波動，說明填料改進后產(chǎn)生的摩擦力均衡程度大大提高。也就是說其受力更為合理、綜合作用更為均衡。

為了使填料沿長度方向的壓緊力分布盡可能均勻，并且與泄漏介質(zhì)的壓力分布趨勢盡可能保持一致，在填料中間設(shè)置了剛性的金屬間隔環(huán)，使壓緊力較為均勻，適當提高其密封能力。同改進前填料的受力情況進行比較，雖然改進后填料摩擦系數(shù)增大，但因填料總體性能提高，其密封比壓降低，所受的摩擦力因此降低。此外，填料與閥桿間隙由0.05調(diào)整到0.15，間隙的增大使填料的潤滑性增強，又減少了閥桿卡澀的情況發(fā)生。

四、結(jié)語

如果將密封介質(zhì)沿填料與閥桿之間的環(huán)形間隙的泄漏視為流體作層流流動，由此可計算出改進后填料理論泄漏率為：

根據(jù)ISO/CD15848-C級19mm的閥桿，其密封泄漏標準為：

Q0=1.76×10-5×19=3.34×1014cm3/s>Q

由于各參數(shù)之間互相影響互相制約，計算也只是做定性分析。但是理論數(shù)據(jù)仍可驗證，改進后的填料滿足泄漏率的要求。

以上處理方法于2016年初應(yīng)用在2ADG101VV閥門上，總體處理效果良好。此次填料密封泄漏處理經(jīng)驗說明，通過對填料安裝、預(yù)緊力以及填料的結(jié)構(gòu)形式等要素進行分析，優(yōu)化閥門填料受力結(jié)構(gòu)，制定相對應(yīng)的處理措施，可以最終使閥桿密封效果達到最優(yōu)狀態(tài)。