毛大軍，陳松華

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

尿素裝置有近百臺(tái)儀表調(diào)節(jié)閥，涉及到的介質(zhì)有循環(huán)水、蒸汽、工藝?yán)淠?、二氧化碳、空氣、液氨、甲銨、尿液等。腐蝕性大、易結(jié)晶是尿素裝置的主要特點(diǎn)，每臺(tái)調(diào)節(jié)閥根據(jù)工藝介質(zhì)、溫度、壓力的不同，加之各個(gè)調(diào)節(jié)閥制造廠家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一致，其閥桿密封填料設(shè)計(jì)也有所不同。

調(diào)節(jié)閥是化工生產(chǎn)裝置上的重要單元，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中擔(dān)任著重要的任務(wù)。調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體部件組成，通過控制閥門開度的大小，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)流量、壓力和液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥分電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)三種。調(diào)節(jié)閥不允許有外漏現(xiàn)象，而外漏的主要途徑之一是介質(zhì)從閥桿處泄漏，為防止這種情況的發(fā)生，通常在閥桿處采用填料密封。本文結(jié)合實(shí)際工況，主要針對尿素裝置控制汽提塔液位的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥多次出現(xiàn)填料密封失效的問題，提出改進(jìn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)，不能在線更換填料，只能解體后更換填料。調(diào)節(jié)閥LV2102在運(yùn)行不到一個(gè)月的時(shí)間就出現(xiàn)了填料密封失效的問題，且經(jīng)緊固填料螺母后問題依然存在。

1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 調(diào)節(jié)閥的組成

LV2102調(diào)節(jié)閥是氣開閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)附件主要由手輪、空氣過濾減壓閥、電磁閥、閥門定位器、氣動(dòng)放大器等組成。氣源發(fā)生故障時(shí)，可用手輪將閥門開到一定的開度，電磁閥主要用于聯(lián)鎖保護(hù)，氣動(dòng)放大器使執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速響應(yīng)，閥門定位器使閥位能夠按控制器輸出的信號進(jìn)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(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意

1.2 填料函體的結(jié)構(gòu)

該閥的閥體部件結(jié)構(gòu)特殊，閥座與閥腔為一體，上閥蓋由填料函體和獨(dú)立法蘭組成。獨(dú)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(zhì)從上閥蓋噴出。填料函體的填料密封結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 填料密封結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)填料密封結(jié)構(gòu)示意圖可知，填料在壓蓋的壓力作用下，經(jīng)軸套產(chǎn)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(zhì)外漏。徑向壓力的計(jì)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(yīng)力系數(shù)；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(dòng)摩擦因數(shù)；u2為填料與填料函間的靜摩擦因數(shù)。

填料的應(yīng)力系數(shù)k取決于軸向壓力，是確定填料高度的一個(gè)重要因素。根據(jù)填料密封結(jié)構(gòu)示意圖及徑向壓力的計(jì)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(shù)規(guī)律降低，所以最小徑向應(yīng)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(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻繁

調(diào)節(jié)閥在自動(dòng)控制模式下時(shí)，會(huì)出現(xiàn)液位變送器指示波動(dòng)較大、PID參數(shù)設(shè)置不合適、調(diào)節(jié)閥定位器動(dòng)作不靈敏等問題，將導(dǎo)致閥門波動(dòng)厲害，閥桿動(dòng)作頻繁。調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行一段時(shí)間后，填料會(huì)有一定程度的磨損，閥桿與填料處的間隙增大，導(dǎo)致介質(zhì)從填料處泄漏。

2.2 填料的選用、設(shè)計(jì)不合理

當(dāng)調(diào)節(jié)閥填料的選用、設(shè)計(jì)不合理時(shí)(比如安裝不到位、填料選用錯(cuò)誤、未考慮介質(zhì)的特性和使用工況等因素),將導(dǎo)致填料密封不嚴(yán)而出現(xiàn)泄漏。

2.3 閥桿處有劃痕

在調(diào)節(jié)閥運(yùn)行過程中，介質(zhì)內(nèi)有固體顆粒(比如微小金屬顆粒)，或是在初始裝配時(shí)，閥桿、填料中有雜質(zhì)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥運(yùn)行一段時(shí)間后，將導(dǎo)致閥桿磨損、填料損壞，閥桿與填料處出現(xiàn)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(jìn)入汽提塔E201頂部，經(jīng)汽提塔內(nèi)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(tài)沿壁往下降，為防止CO2氣體串流到循環(huán)系統(tǒng)，在汽提塔底部保持20%～40%的液位，液位由LV2102控制，調(diào)節(jié)閥的工藝參數(shù)見表1。

表1 LV2102調(diào)節(jié)閥工藝參數(shù)

經(jīng)檢查確認(rèn)，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作平穩(wěn)，順暢。汽提塔液位測量采用雷達(dá)液位計(jì)，實(shí)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(chǎn)過程中，汽提塔的液位一直處于自動(dòng)控制模式，閥桿動(dòng)作比較頻繁。3臺(tái)氣化爐運(yùn)行時(shí)，閥門開度在20%～30%之間，填料磨損較快。

填料處出現(xiàn)介質(zhì)泄漏后，對填料壓蓋進(jìn)行了緊固加壓，但效果并不明顯。解體調(diào)節(jié)閥，對填料進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)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(cuò)開180°，原始填料結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 調(diào)節(jié)閥原始填料結(jié)構(gòu)

尿素分子式 CH4ON2為無色結(jié)晶或白色結(jié)晶性粉末，易溶于水。當(dāng)溫度大于60℃時(shí)，尿素在酸性、堿性、中性溶液中易發(fā)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(qiáng)。尿素的主要反應(yīng)方程式如下：

2NH3(液)+CO2(氣)=NH4COONH2(液)

NH4COONH2= CO( NH2)2(液)+H2O

結(jié)合尿素介質(zhì)的特性，正確選用填料材質(zhì)非常關(guān)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(zhì)中含有強(qiáng)腐蝕性的尿液、甲銨等，石墨填料容易污染介質(zhì)，且不適用于高濃度、強(qiáng)氧化性介質(zhì)的工況，易出現(xiàn)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(xué)腐蝕性能好，不黏附性好，有較低的摩擦系數(shù)和較寬的工作溫度范圍，可用于各種酸堿等腐蝕性介質(zhì)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(chǎn)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(xué)穩(wěn)定性和抗氧化能力，不污染介質(zhì)，不被介質(zhì)泡漲，不腐蝕閥桿，摩擦因數(shù)小，且在閥桿有少量偏心時(shí)，填料應(yīng)有足夠的浮動(dòng)彈性。根據(jù)尿液的化學(xué)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(zhì)潤滑性好，抗化學(xué)腐蝕性能好，有較低的摩擦系數(shù)，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(qiáng)，僅靠壓蓋的軸向力使填料產(chǎn)生徑向壓力，而且裝置開停車頻繁，工藝管線內(nèi)的溫度、壓力變化較快，四氟盤根填料使用一段時(shí)間后，填料與閥桿處的間隙就會(huì)增大，加之每一層四氟盤根都有切口，介質(zhì)很有可能從各層填料的切口處流出，導(dǎo)致介質(zhì)從填料處泄漏。因此，對聚四氟乙烯填料的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

5 處理措施

5.1 填料的設(shè)計(jì)

聚四氟乙烯填料滿足工藝要求，選好填料材質(zhì)后，關(guān)鍵是對填料密封的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，扁平結(jié)構(gòu)的四氟盤根填料見圖4，根據(jù)徑向壓力的計(jì)算式(1)可知，隨著填料高度的增加，徑向壓力Pr呈指數(shù)規(guī)律降低，而且四氟盤根填料向兩側(cè)的延展性弱，變形量小，四氟盤根填料與閥桿及填料函內(nèi)壁的密封效果較差。

圖4 扁平狀四氟盤根填料結(jié)構(gòu)

為了使聚四氟乙烯填料起到良好的密封效果，將填料設(shè)計(jì)成V型環(huán)狀(見圖5)。

圖5 V型環(huán)狀四氟填料結(jié)構(gòu)

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(dāng)中間層填料與底部填料接觸時(shí)，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(huì)向兩側(cè)產(chǎn)生一定的變形量，這種變形只發(fā)生在唇的尖部，在填料函內(nèi)壁及閥桿處形成接觸壓力。假如此時(shí)不施加壓力，唇部仍能封住一定內(nèi)壓，當(dāng)唇尖在內(nèi)壓的作用下向閥桿和填料函內(nèi)壁擠壓，形成了較高的接觸壓力時(shí)，介質(zhì)便難以通過，即使通過了第一個(gè)填料，內(nèi)壓損失也會(huì)很大，在通過第二、三個(gè)填料時(shí)，內(nèi)壓損失更大。V型填料安裝的開口方向取決于設(shè)備內(nèi)的壓力條件，當(dāng)設(shè)備內(nèi)屬于負(fù)壓時(shí)，V型填料的開口朝上；當(dāng)設(shè)備內(nèi)屬于正壓時(shí)，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(jù)填料函體內(nèi)徑及閥桿直徑的實(shí)際測量，找到合適的四氟棒材。根據(jù)測量得知：填料函體內(nèi)徑為55.04mm，閥桿直徑為39.84mm。填料內(nèi)徑大、外徑小，起不到良好的密封效果，如果填料內(nèi)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(xiàn)損壞填料、填料安裝不到位、加大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力等問題，填料內(nèi)徑應(yīng)該比閥桿直徑略小，外徑應(yīng)該比填料函內(nèi)徑略大，這樣才能起到良好的密封效果。因此，實(shí)際加工的V型填料環(huán)內(nèi)徑為39.80mm，外徑為55.08mm，V型環(huán)狀四氟填料加工尺寸見圖6。

圖6 V型環(huán)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(jìn)行試裝，避免因加工時(shí)產(chǎn)生的誤差而導(dǎo)致填料不能滿足要求，加工成形的V型環(huán)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(gè)填料安裝到位，因此，安裝填料前先準(zhǔn)備好一根合適的鍍鋅管，并保證內(nèi)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(gè)填料及多個(gè)填料的高度，可單個(gè)填料添加，也可將3～5個(gè)一起添加。安裝時(shí)先放底座填料(圖7左下第一個(gè)填料環(huán))，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(huán))，每加一組填料都要檢查確認(rèn)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(gè)填料為頂部填料(圖7左上第一個(gè)填料環(huán))。填料的高度加至能安裝上導(dǎo)向套，金屬軸套后，螺紋填料壓蓋還能進(jìn)入總螺紋深度的四分之一。

圖7 加工成形的V型環(huán)狀四氟填料

6 結(jié)語

在很多時(shí)候，施工人員對調(diào)節(jié)閥填料的外漏現(xiàn)象并未引起重視，但實(shí)際上，填料處介質(zhì)外漏是非常危險(xiǎn)的，輕則引起系統(tǒng)停車(比如高溫、高壓的介質(zhì)環(huán)境、蒸汽、合成高壓系統(tǒng)氨、甲銨、尿液等)，重則造成設(shè)備損壞、人員傷亡(比如有毒、可燃?xì)怏w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(shè)計(jì)填料的結(jié)構(gòu)及尺寸，嚴(yán)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(wěn)定地運(yùn)行。

經(jīng)重新設(shè)計(jì)加工的V型環(huán)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(tài)，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。