1、概述
內(nèi)壓自封式密封結(jié)構(gòu)是高溫高壓閥門中法蘭密封副經(jīng)常選用的結(jié)構(gòu)形式,某試驗(yàn)臺(tái)架安裝了兩臺(tái)相同的中法蘭密封副為內(nèi)壓自封式密封結(jié)構(gòu)的旋啟式止回閥。在試驗(yàn)臺(tái)架的多次交變工作壓力和溫度試驗(yàn)完成后,再次進(jìn)行升壓升溫前常溫試壓過(guò)程中,其中一臺(tái)旋啟式止回閥中法蘭的密封副發(fā)生泄漏,采取維修措施均沒(méi)有解決此閥門的泄漏問(wèn)題。而且另一臺(tái)旋啟式止回閥在試驗(yàn)臺(tái)架上工作數(shù)年后,中法蘭密封副也發(fā)生泄漏。為此通過(guò)對(duì)此閥門的泄漏問(wèn)題的分析,闡述某些專用試驗(yàn)臺(tái)架和工程選用的專用閥門產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇需認(rèn)真商榷。
2、技術(shù)參數(shù)
兩臺(tái)旋啟式止回閥(圖1)出廠前曾進(jìn)行了P=42.0MPa的整機(jī)閥門強(qiáng)度及中法蘭密封副密封試驗(yàn),無(wú)泄漏。

圖1內(nèi)壓自封式旋啟式止回閥

1閥體 2閥蓋 3密封環(huán)

(1)試驗(yàn)臺(tái)架
最高工作壓力14.0MPa
最高工作溫度260℃
設(shè)計(jì)壓力17.2MPa
設(shè)計(jì)溫度350℃
工作介質(zhì)水
試驗(yàn)回路管路通徑65mm
試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)壓力21.5MPa
每次降至常壓常溫后再次升壓升溫前的試驗(yàn)壓力15MPa
(2)旋啟式止回閥
公稱壓力28.0MPa(非標(biāo)準(zhǔn)公稱壓力等級(jí))
公稱口徑65mm
閥體、閥蓋材料1Cr18Ni10Ti
密封環(huán)材料N6
與試驗(yàn)臺(tái)架回路連接方式焊接
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3、故障
3.1、首次泄漏和修復(fù)
試驗(yàn)臺(tái)架在進(jìn)行數(shù)次常壓升至最大工作壓力和交變壓力、交變溫度(按規(guī)定的升降溫度和壓力數(shù)率變化)升至最高工作壓力、溫度運(yùn)行和試驗(yàn)后,降至常溫常壓保養(yǎng)。再次進(jìn)行升壓升溫前常溫試壓(P=9.8MPa)過(guò)程時(shí),試驗(yàn)臺(tái)架上的一臺(tái)旋啟式止回閥在中法蘭密封副處發(fā)生微量外泄漏(以下稱首次泄漏)。拆解閥蓋、密封環(huán)檢查泄漏部位,密封環(huán)外圓密封面和閥體中法蘭密封面有介質(zhì)泄漏后留下的輕微痕跡。密封環(huán)外圓密封面的介質(zhì)泄漏痕跡為外圓密封面銳角處有軸向長(zhǎng)×寬約3×115mm的毛蟲(chóng)狀痕跡,其痕跡貫穿密封面(圖2),用放大鏡觀察疑似材料的內(nèi)部缺陷。在閥體中法蘭密封面上有一處介質(zhì)泄漏的輕微痕跡為水印,與密封環(huán)外密封面毛蟲(chóng)狀痕跡相對(duì)應(yīng)。具體部位在垂直閥體通道軸線方向(以下稱橫軸線方向)的中法蘭密封面的一端,閥體中法蘭密封面其他部位、密封環(huán)外密封面其他部位、密封環(huán)內(nèi)密封面和封頭密封面未見(jiàn)泄漏痕跡,各密封面處密封壓痕均勻。

圖2、3

在拆解檢修該旋啟式止回閥中法蘭密封副時(shí),對(duì)此閥門中法蘭密封面和密封環(huán)外圓密封面直徑尺寸進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1、2

中法蘭密封面和密封環(huán)外密封面在兩個(gè)垂直方向出現(xiàn)直徑不一致即長(zhǎng)短軸現(xiàn)象,長(zhǎng)軸在閥體橫軸線方向,短軸在沿閥體通道軸線方向(以下稱軸線方向)。閥體中法蘭密封面長(zhǎng)短軸相差D2-D1=0.10mm,密封環(huán)外密封面長(zhǎng)短軸相差d2-d1=0.04mm。閥體中法蘭密封面短軸與垂直密封環(huán)泄漏痕跡對(duì)應(yīng)處尺寸差D1-d1=0.02mm,閥體中法蘭密封面與密封環(huán)泄漏痕跡對(duì)應(yīng)處尺寸差D2-d2=0.08mm。
首次泄漏采取的維修措施為更換新的密封環(huán)。閥體中法蘭密封面在試驗(yàn)臺(tái)架上沒(méi)有可靠的工裝和技術(shù)保證研磨密封面的圓度,故密封面沒(méi)有研磨,僅進(jìn)行了表面光潔度處理。
新密封環(huán)外圓密封面直徑d=120.16mm,比圖紙要求的上限值大0.196mm,與閥體中法蘭密封面軸線方向直徑間隙為D1-d=0.02mm,橫軸線方向直徑間隙D2-d=0.08mm,配合間隙符合圖紙給定的允許配合最大間隙(0.291mm)。同時(shí)設(shè)想通過(guò)試驗(yàn)壓力提供的密封力使新密封環(huán)在軸線方向(閥體中法蘭密封面的短軸方向)發(fā)生過(guò)量塑性變形來(lái)加大橫軸線方向(閥體中法蘭密封面的長(zhǎng)軸方向)的密封比壓,避免長(zhǎng)橫軸線方向可能產(chǎn)生的泄漏。
新密封環(huán)在試壓(常溫試驗(yàn)壓力為15.2MPa)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了閥體中法蘭密封副的密封,并在常溫試驗(yàn)壓力的條件下再次對(duì)密封預(yù)緊螺栓進(jìn)行預(yù)緊,加大密封環(huán)的變形量,使橫軸線方向間隙盡最大可能的得到彌補(bǔ),保證密封副密封所需的密封比壓。
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3.2、2次泄漏和拆檢

試驗(yàn)臺(tái)架再次熱態(tài)工況運(yùn)行試驗(yàn)時(shí),在高溫高壓(壓力14.0MPa、溫度240℃)運(yùn)行超過(guò)4h后,當(dāng)壓力下降至8.9MPa、溫度212℃左右時(shí),該閥在中法蘭密封副處再次又發(fā)生泄漏(以下稱第2次泄漏)。經(jīng)再次拆解閥蓋和密封環(huán)檢查,泄漏的具體部位在中法蘭密封面橫軸方向的兩端密封面處,與軸線對(duì)稱,其泄漏痕跡為可以去除鐵紅色(與其他部位不同)。對(duì)應(yīng)的密封環(huán)外密封面銳角處有寬約20mm、軸向長(zhǎng)6mm、左右對(duì)稱的2處泄漏沖刷痕跡,痕跡現(xiàn)象為密集線狀溝痕(圖4、圖5和圖6),閥體中法蘭密封面其他部位、密封環(huán)外密封面的其他部位、密封環(huán)內(nèi)密封面及封頭密封面等處未見(jiàn)泄漏痕跡。

圖4、5、6

閥體中法蘭密封面與首次泄漏檢查測(cè)量一致,密封環(huán)在拆解過(guò)程中有變形,密封環(huán)的外密封面尺寸故沒(méi)有測(cè)量。

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4、分析
4.1、首次泄漏原因
(1)密封環(huán)毛蟲(chóng)狀痕跡泄漏處疑似材料的內(nèi)部缺陷,可能是材質(zhì)鍛造內(nèi)部缺陷。在交變壓力、交變高溫高壓及最高工作壓力和溫度作用下,導(dǎo)致密封環(huán)泄漏處材質(zhì)鍛造內(nèi)部缺陷不斷擴(kuò)展,在鍛造內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生介質(zhì)泄漏。
(2)閥體中法蘭密封面直徑尺寸不一致,在軸線方向尺寸限制了密封環(huán)的上浮,導(dǎo)致了在橫軸方向的密封比壓小。由其在交變壓力、交變高溫高壓及最高工作壓力和溫度作用時(shí),軸線方向尺寸更加限制了密封環(huán)的上浮,并可能使橫軸方向密封比壓下降,不能保證密封的要求,發(fā)生介質(zhì)泄漏,沖刷擴(kuò)展了密封環(huán)的鍛造內(nèi)部缺陷,隨著時(shí)間發(fā)展泄漏量將不斷擴(kuò)大。
4.2、第2次泄漏原因
(1)閥體中法蘭密封面在橫軸方向和軸線方向存在的尺寸誤差沒(méi)有進(jìn)行修復(fù)。密封環(huán)外密封面在閥體中法蘭密封面的密封中兩個(gè)方向的間隙不一致,閥體中法蘭密封面在沿通道軸線方向與密封環(huán)外密封面的間隙小,閥體中法蘭密封面在橫軸線方向與密封環(huán)外密封面的間隙大。介質(zhì)壓力(閥門檢修后提供的最高試驗(yàn)壓力15.0MPa)提供給中法蘭的密封力,在閥體中法蘭密封副中沿著閥體通道軸線和橫軸線方向的密封比壓不一致。閥體中法蘭密封副在橫軸線方向密封比壓小,且不能像產(chǎn)品出廠試驗(yàn)壓力(42.0MPa)那樣提供足夠的密封力來(lái)增加閥體中法蘭密封副在橫軸線方向密封比壓,滿足高溫高壓及交變壓力溫度條件下介質(zhì)的密封。
(2)密封環(huán)外密封面在閥體中法蘭密封面的密封中兩個(gè)方向的間隙不一致。在交變壓力和溫度作用下時(shí),閥體通道軸線方向的間隙和閥體通道橫軸線方向的間隙隨著交變壓力和溫度作用,發(fā)生閥體通道橫軸線方向的密封副密封比壓降低不能保證密封,導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。
4.3、中法蘭密封副誤差原因
從零件的加工尺寸檢測(cè),閥體中法蘭密封面在沿著閥體通道軸線方向和橫軸線方向尺寸一致。密封環(huán)外密封面垂直方向測(cè)量尺寸基本一致,相差0.002mm(薄壁件屬正常),密封環(huán)外密封面的圓度不影響密封(密封環(huán)內(nèi)密封面與閥蓋密封接解觸時(shí)會(huì)將密封環(huán)外密封面校圓)。經(jīng)分析和驗(yàn)證,閥體中法蘭密封面沿軸線方向和橫軸線方向尺寸不一致的原因是由于閥門整機(jī)進(jìn)行42.0MPa強(qiáng)度及中法蘭密封副密封試驗(yàn)所致。

5、參數(shù)選擇
內(nèi)壓自封旋啟式止回閥是按專用試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)際使用工況進(jìn)行的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)臺(tái)架的技術(shù)參數(shù)引入有關(guān)閥門壓力等級(jí)的非標(biāo)準(zhǔn)壓力級(jí)和所規(guī)定的試驗(yàn)壓力,即公稱壓力為28.0MPa,試驗(yàn)壓力為42.0MPa。
閥體中法蘭密封面在沿軸線方向和橫軸線方向變形不一致和超過(guò)允許的變形值,從計(jì)算的角度分析是由于閥體中法蘭密封面的強(qiáng)度不夠,在試驗(yàn)壓力的作用下,超過(guò)允許的變形量。
相同的旋啟式止回閥按專用閥門設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)為設(shè)計(jì)壓力17.16MPa,設(shè)計(jì)溫度≤350℃,工作壓力13.73MPa,水壓試驗(yàn)壓力21.45MPa。該產(chǎn)品應(yīng)用在相同工況的其他試驗(yàn)臺(tái)架上,工作幾十年無(wú)一發(fā)生泄漏。
實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明,閥門設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真分析其工況參數(shù),不能盲目的引入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)。此閥的泄漏是由于引入標(biāo)準(zhǔn)中的非壓力等級(jí),并按標(biāo)準(zhǔn)的水壓試驗(yàn)壓力(42.0MPa)試驗(yàn),又沒(méi)有按此參數(shù)設(shè)計(jì)中法蘭強(qiáng)度,出現(xiàn)閥體中法蘭密封面在2個(gè)方向的變形不一致和過(guò)量變形。這種現(xiàn)象尤其不適應(yīng)反復(fù)交變的高溫高壓運(yùn)行工況。
6、結(jié)語(yǔ)
分析和使用結(jié)果證明,若依據(jù)臺(tái)架的試驗(yàn)壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn),閥門就不會(huì)發(fā)生問(wèn)題,即節(jié)省了材料又滿足了臺(tái)架工況需要。因此為某些特殊工程所設(shè)計(jì)的閥門產(chǎn)品,不能盲目的使用標(biāo)準(zhǔn)或引用標(biāo)準(zhǔn)中的高參數(shù)。如果閥門產(chǎn)品是專門為某個(gè)工程和臺(tái)架專門設(shè)計(jì)(不是工程和臺(tái)架選用標(biāo)準(zhǔn)閥門產(chǎn)品),一定要考慮滿足工況參數(shù)和特殊工況條件,盲目引用標(biāo)準(zhǔn)中的高于臺(tái)架和工程上的技術(shù)參數(shù)是不可取的。如果一定要選用標(biāo)準(zhǔn)中的高參數(shù)(這些參數(shù)在專用臺(tái)架和工程的工況和試驗(yàn)上永遠(yuǎn)不使用的),則必須認(rèn)真校核各部分的強(qiáng)度,這樣做將會(huì)導(dǎo)致閥門結(jié)構(gòu)增大,造成浪費(fèi),也不適合專用試驗(yàn)臺(tái)架和工程上的特殊需要,一旦應(yīng)用也可能給試驗(yàn)臺(tái)架和工程上帶來(lái)該產(chǎn)品發(fā)生泄漏的隱患。