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      調(diào)節(jié)閥閥桿密封泄漏分析及處理

      2022-10-19 02:45:20王運(yùn)喜詹瑜濱劉喜陽
      產(chǎn)業(yè)與科技論壇 2022年18期
      關(guān)鍵詞:壓蓋閥桿摩擦系數(shù)

      孫 營 王運(yùn)喜 詹瑜濱 劉喜陽

      某核電廠1/2號機(jī)組主蒸汽至除氧器進(jìn)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(yùn)行過程中的可操作性及能耗問題??梢娬{(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(dǎo)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(dāng)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(dāng)填料與閥桿相對回轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)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(dāng)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(dá)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(xué)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(jìn)行擴(kuò)散。當(dāng)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(yùn)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(jìn)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(dāng)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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(shí)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(shí)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(yàn)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(jìn)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(yàn)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?yàn)椴煌奶盍掀鋫?cè)壓系數(shù)和回彈性能不同,再次嘗試將AV-6和AV-8進(jìn)行混合使用并在相同狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)比對。

      圖3 新舊填料形式對比及組合填料試驗(yàn)曲線

      由組合后的填料試驗(yàn)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(jìn)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(dāng)提高其密封能力。同改進(jìn)前填料的受力情況進(jìn)行比較,雖然改進(jìn)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(qiáng),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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證,改進(jìn)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(yàn)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(jìn)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(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

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