內壓自封式閥門泄漏原因和參數探討
閱讀：1232發布時間：2012-3-16
1、概述
內壓自封式密封結構是高溫高壓閥門中法蘭密封副經常選用的結構形式,某試驗臺架安裝了兩臺相同的中法蘭密封副為內壓自封式密封結構的旋啟式止回閥。在試驗臺架的多次交變工作壓力和溫度試驗完成后,再次進行升壓升溫前常溫試壓過程中,其中一臺旋啟式止回閥中法蘭的密封副發生泄漏,采取維修措施均沒有解決此閥門的泄漏問題。而且另一臺旋啟式止回閥在試驗臺架上工作數年后,中法蘭密封副也發生泄漏。為此通過對此閥門的泄漏問題的分析,闡述某些試驗臺架和工程選用的閥門產品的設計和設計參數的選擇需認真商榷。
2、技術參數
兩臺旋啟式止回閥出廠前曾進行了P=42.0MPa的整機閥門強度及中法蘭密封副密封試驗,無泄漏。
（1）試驗臺架
zui高工作壓力14.0MPazui高工作溫度260℃設計壓力17.2MPa設計溫度350℃工作介質水試驗回路管路通徑65mm試驗臺架試驗壓力21.5MPa每次降至常壓常溫后再次升壓升溫前的試驗壓力15MPa
（2）旋啟式止回閥
公稱壓力28.0MPa（非標準公稱壓力等級）公稱口徑65mm閥體、閥蓋材料1Cr18Ni10Ti密封環材料N6與試驗臺架回路連接方式焊接
3、故障
3.1、泄漏和修復
試驗臺架在進行數次常壓升至zui大工作壓力和交變壓力、交變溫度（按規定的升降溫度和壓力數率變化）升至zui高工作壓力、溫度運行和試驗后,降至常溫常壓保養。再次進行升壓升溫前常溫試壓（P=9.8MPa）過程時,試驗臺架上的一臺旋啟式止回閥在中法蘭密封副處發生微量外泄漏（以下稱泄漏）。拆解閥蓋、密封環檢查泄漏部位,密封環外圓密封面和閥體中法蘭密封面有介質泄漏后留下的輕微痕跡。密封環外圓密封面的介質泄漏痕跡為外圓密封面銳角處有軸向長×寬約3×115mm的毛蟲狀痕跡,其痕跡貫穿密封面,用放大鏡觀察疑似材料的內部缺陷。在閥體中法蘭密封面上有一處介質泄漏的輕微痕跡為水印,與密封環外密封面毛蟲狀痕跡相對應。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、密封環外密封面其他部位、密封環內密封面和封頭密封面未見泄漏痕跡,各密封面處密封壓痕均勻。
在拆解檢修該旋啟式止回閥中法蘭密封副時,對此閥門中法蘭密封面和密封環外圓密封面直徑尺寸進行了測量。
中法蘭密封面和密封環外密封面在兩個垂直方向出現直徑不一致即長短軸現象,長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短軸相差D2-D1=0.10mm,密封環外密封面長短軸相差d2-d1=0.04mm。閥體中法蘭密封面短軸與垂直密封環泄漏痕跡對應處尺寸差D1-d1=0.02mm,閥體中法蘭密封面與密封環泄漏痕跡對應處尺寸差D2-d2=0.08mm。
泄漏采取的維修措施為更換新的密封環。閥體中法蘭密封面在試驗臺架上沒有可靠的工裝和技術保證研磨密封面的圓度,故密封面沒有研磨,僅進行了表面光潔度處理。
新密封環外圓密封面直徑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zui大間隙（0.291mm）。同時設想通過試驗壓力提供的密封力使新密封環在軸線方向（閥體中法蘭密封面的短軸方向）發生過量塑性變形來加大橫軸線方向（閥體中法蘭密封面的長軸方向）的密封比壓,避免長橫軸線方向可能產生的泄漏。
新密封環在試壓（常溫試驗壓力為15.2MPa）過程中實現了閥體中法蘭密封副的密封,并在常溫試驗壓力的條件下再次對密封預緊螺栓進行預緊,加大密封環的變形量,使橫軸線方向間隙盡zui大可能的得到彌補,保證密封副密封所需的密封比壓。
3.2、2次泄漏和拆檢
試驗臺架再次熱態工況運行試驗時,在高溫高壓（壓力14.0MPa、溫度240℃）運行超過4h后,當壓力下降至8.9MPa、溫度212℃左右時,該閥在中法蘭密封副處再次又發生泄漏（以下稱第2次泄漏）。經再次拆解閥蓋和密封環檢查,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,與軸線對稱,其泄漏痕跡為可以去除鐵紅色（與其他部位不同）。對應的密封環外密封面銳角處有寬約20mm、軸向長6mm、左右對稱的2處泄漏沖刷痕跡,痕跡現象為密集線狀溝痕,閥體中法蘭密封面其他部位、密封環外密封面的其他部位、密封環內密封面及封頭密封面等處未見泄漏痕跡。
閥體中法蘭密封面與泄漏檢查測量一致,密封環在拆解過程中有變形,密封環的外密封面尺寸故沒有測量。
4、分析
4.1、泄漏原因
（1）密封環毛蟲狀痕跡泄漏處疑似材料的內部缺陷,可能是材質鍛造內部缺陷。在交變壓力、交變高溫高壓及zui高工作壓力和溫度作用下,導致密封環泄漏處材質鍛造內部缺陷不斷擴展,在鍛造內部缺陷處產生介質泄漏。
（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的上浮,導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zui高工作壓力和溫度作用時,軸線方向尺寸更加限制了密封環的上浮,并可能使橫軸方向密封比壓下降,不能保證密封的要求,發生介質泄漏,沖刷擴展了密封環的鍛造內部缺陷,隨著時間發展泄漏量將不斷擴大。
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有進行修復。密封環外密封面在閥體中法蘭密封面的密封中兩個方向的間隙不一致,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外密封面的間隙大。介質壓力（閥門檢修后提供的zui高試驗壓力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,且不能像產品出廠試驗壓力（42.0MPa）那樣提供足夠的密封力來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的密封。
（2）密封環外密封面在閥體中法蘭密封面的密封中兩個方向的間隙不一致。在交變壓力和溫度作用下時,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,導致介質泄漏。
4.3、中法蘭密封副誤差原因
從零件的加工尺寸檢測,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。密封環外密封面垂直方向測量尺寸基本一致,相差0.002mm（薄壁件屬正常）,密封環外密封面的圓度不影響密封（密封環內密封面與閥蓋密封接解觸時會將密封環外密封面校圓）。經分析和驗證,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進行42.0MPa強度及中法蘭密封副密封試驗所致。
5、參數選擇
內壓自封旋啟式止回閥是按試驗臺架實際使用工況進行的設計。試驗臺架的技術參數引入有關閥門壓力等級的非標準壓力級和所規定的試驗壓力,即公稱壓力為28.0MPa,試驗壓力為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允許的變形值,從計算的角度分析是由于閥體中法蘭密封面的強度不夠,在試驗壓力的作用下,超過允許的變形量。
相同的旋啟式止回閥按閥門設計。設計參數為設計壓力17.16MPa,設計溫度≤350℃,工作壓力13.73MPa,水壓試驗壓力21.45MPa。該產品應用在相同工況的其他試驗臺架上,工作幾十年無一發生泄漏。
實際應用說明,閥門設計中應認真分析其工況參數,不能盲目的引入標準規定的參數。此閥的泄漏是由于引入標準中的非壓力等級,并按標準的水壓試驗壓力（42.0MPa）試驗,又沒有按此參數設計中法蘭強度,出現閥體中法蘭密封面在2個方向的變形不一致和過量變形。這種現象尤其不適應反復交變的高溫高壓運行工況。
6、結語
分析和使用結果證明,若依據臺架的試驗壓力進行設計和試驗,閥門就不會發生問題,即節省了材料又滿足了臺架工況需要。因此為某些特殊工程所設計的閥門產品,不能盲目的使用標準或引用標準中的高參數。如果閥門產品是專門為某個工程和臺架專門設計（不是工程和臺架選用標準閥門產品）,一定要考慮滿足工況參數和特殊工況條件,盲目引用標準中的高于臺架和工程上的技術參數是不可取的。如果一定要選用標準中的高參數（這些參數在臺架和工程的工況和試驗上永遠不使用的）,則必須認真校核各部分的強度,這樣做將會導致閥門結構增大,造成浪費,也不適合試驗臺架和工程上的特殊需要,一旦應用也可能給試驗臺架和工程上帶來該產品發生泄漏的隱患。
