上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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摘要:分析了常用闸阀中腔异常升压的形成机理及其危害性,提出了平衡中腔异常升压的设计或安装中的实用防护方案,可供各类用户参考选择。

关键词闸阀异常升压泄压阀泄压孔外旁路

前言

闸阀通常有单闸板、双闸板、楔式、平行式等结构设计,其中楔式双闸板(Z42、Z62 系列)及楔式弹性闸板(Z40、Z60 系列)应用最为广泛,前者关闭时闸板自动吻合两侧阀座,自动补偿楔角的加工位置误差;后者则依靠闸板中部的弹性槽,靠阀杆的轴向推力补偿楔角的加工位置误差,两者均达到较好的密封效果。正是由于其双侧的优良密封,在某些场合会产生中腔压力异常升高现象,即当高温高压流体(液体或气体)被封堵于阀门中腔时,若上游侧(见图 1)流体温度升高,中腔(见图 1)流体会被热传递同步升高,由于中腔休积无法扩大,封堵中腔流体由冷态变为热态时,液体可能迅速汽化,导致压力急剧升高,增高的压力常常是几何级数。

闸阀中腔异常升压说明图(图 1)
图 1 中腔异常升压说明

阀门超压工作的后果是十分严重的。阀门中腔异常升压时,其承压件及启闭件的工作应力(如阀杆及闸板架的使用应力)均会急剧增加,驱动机构的驱动力会不堪重负,甚至无法启动,严重时阀杆拉断、闸板架断裂、电机烧坏,这些现象在许多高压大口径闸阀中屡见不鲜,不少用户常常抱怨这是闸板“咬死”,其实“咬死”的真实原因常常是中腔的异常升压这一“隐形杀手”。

典型的案例如 Z962Y 系列楔双闸板闸阀运用于火电厂给水系统及其旁路时,这类阀门一般先在冷态作水压试验后关闭,当机组启动时系统温度升高到 250~300℃ 时,由于温度急剧升高,封闭中部的冷态水温会同步急剧升高汽化,使流体体积增大,压力升高,此时若要开启阀门要么驱动力矩足够大,要么阀杆组件强度足够高,否则常常出现阀杆断裂、闸板架断裂、闸板 T 型槽开花、断裂,使给水泵无法启动,导致严重的停炉停机事故。

2 异常升压的危害

异常升压的形成在许多闸阀的应用场合会惊人相似地发生,因为其发生的两大要素在许多工业系统是相似的,即系统介质在开机后,由冷态变热态;闸板在冷态关闭,热态时开启。因而若不对系统采取措施,异常升压对系统的破坏几乎是无法避免的,其有 3 方面危害:

(1)对阀门本身的破坏

阀门壳体、阀盖及阀杆零件的强度一般以阀门的公称压力设计其强度,异常升压时,其开启压力会成倍提高,导致相关零件的使用应力成倍升高,当材料实际应力超过许用应力时,高应力部位会产生断裂破坏,导致阀门无法开启,阀门整机将损坏或报废。

(2)对系统安全的破坏

显而易见,壳体、阀盖等承压件超压时是非常危险的,一旦超压其薄弱部位或许会先发生穿孔,引起介质外漏;其填料及自密封圈部位往往会被高压流体冲出,引起介质大量外漏。当介质是高温气体、有毒气体、有害气体时会更加严重,甚至会造成设备与人员的伤害。

(3)对生产控制流程造成巨大损失

阀门的正常启闭是各类工业流程控制的关键,一旦这种控制无法实现时,系统瘫痪须停机检修,这将会造成巨大的直接或间接损失。

3 防护措施

从设计、安装、调试等方面入手,从根本上消除中腔异常升压是完全有可能的,归纳常用 3 套方案供广大用户参考:

(1)阀门内部开设泄压孔

解决中腔异常升压的根本是平衡中腔压力,开设泄压孔是最经济有效的方案,图 2 所示分别为在上游侧闸板及进口侧阀座外圆开设了泄压孔,当中腔压力升高时,中腔压力会自动向上游侧泄放,始终保持中腔压力与上游侧压力相等,从而避免异常升压的发生。

闸阀阀门内部开设泄压孔图(图 2)
图 2 阀门内部开设泄压孔

(2)阀门安装外旁路泄压

对已出厂的阀门可采用安装时外旁路及外设泄压阀降低中腔压力,如图 3 所示。

闸阀阀门安装外旁路泄压图(图 3)
图 3 阀门安装外旁路泄压

采用外设带截止阀的旁路联通中腔与上游侧,当主闸板关闭后截止阀可关闭(视中腔温度变化情况,过高时须开启)。当开启主闸阀时,应先行开启旁路截止阀,降低中腔压力后再启动主闸阀。

(3)阀门外部安装专用泄压阀

闸阀安装专用泄压阀图(图 4)
图 4 阀门安装专用泄压阀

图 4 所示为在闸阀中腔外设泄压阀控制压力范围,设定泄压阀的排放压力为主阀门的额定工作压力,当中腔超压时,自动排放到设定压力,从而维护主闸阀的安全运行。

泄压阀的结构设计图(图 5)
图 5 泄压阀的结构设计

图 5 为泄压阀的结构设计图(可供参考)。泄压阀前安装了截止阀,便于泄压阀的调整与检修。泄压阀的压力设定通常可按 1.33PN 考虑(PN 为系统阀门的公称应力)。

除此之外,阀门调试时,尤其是电动阀调试时,应注意关闭行程及力矩的控制,尽可能将关闭力矩调小些,防止楔死闸板;高温阀门应考虑高温状态阀杆热胀引起的闸板楔死,建议高温高压大口径闸阀调试时,闸板到位后适当后退阀杆,避免真正咬死事故的发生。

4 结语

异常超压是双阀座类闸阀的隐形杀手,严重威胁着设备及系统的安全运行,必须引起重视;闸阀,尤其是高温、高压、大口径闸阀设计安装时必须考虑异常超压的发生,并采取必要的预防措施。


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