浅谈高压球阀外漏原因分析及处理

刘　斌

浅谈高压球阀外漏原因分析及处理

刘斌

(元宝山发电有限责任公司，内蒙古 赤峰市 024070)

针对一款600MW机组锅炉高压球阀频繁出现外漏的问题，通过对高压球阀结构特点分析，结合管路布置特点，对高压球阀外漏原因进行分析，发现锅炉冷热态热膨胀及不合理的管路布置引起的球阀出口侧法兰螺栓受力不均、法兰钢制密封垫错位是导致球阀外漏的主要原因。通过在球阀出口侧法兰增加一道柔性密封，并对管路布置进行优化，有效解决了球阀外漏的问题。另外，选用单片式阀体球阀也能避免同类故障发生。

高压球阀；漏泄；密封；优化

高压球阀的球体由预先计算好弹力的蝶形弹簧压紧在阀座出口侧。高压球阀主要具有以下优点：球体与出口侧阀座接触面积较大，密封性能较好；球体通径较大，对流体阻力较小；球阀结构简单操作轻便；球体表喷涂硬质合金，耐磨性能好，使用寿命长[1]。因此，高压球阀被广泛应用于电站锅炉的高压汽水管道上，尤其以疏放水系统最为常见。高压球阀结构如图1所示。

图1　高压球结构示意图

高压球阀在应用过程中鲜有外漏发生。而当高压球阀出现外漏后，处理措施大多数为直接更换出口侧法兰垫片，一般未究其原因。通过分析球阀外漏的典型案例，对高压球阀外漏原因进行分析，针对发现的问题提出处理方案，以解决高压球阀外漏问题。

1　球阀外漏原因分析

以元宝山发电有限责任公司2号锅炉过热器疏水阀门站为例，该过热器疏水阀门站位于炉侧57米平台，并分4路共安装了8个高压球阀。2012年至2016年，该高压球阀共发生外漏故障4次，且均为出口侧法兰密封面漏泄。通过解体阀门发现，该高压球阀的出口侧法兰金属八角垫存在明显偏斜，漏泄处无原始加工、锻造缺陷。另外，该高压球阀已经运行3年，由于安装在其他部位的同批次高压球阀并未发生此类问题，因此可基本排除其存在出厂缺陷的可能。

管系布置如图2所示。通过对管系进行检测分析可知，锅炉57米标高处的竖直管在热态时向下最大膨胀量约为260 mm；水平管段长仅为2000 mm；阀后疏水母管为固定端，不受锅炉热膨胀影响。

图2　管系布置

由此分析可知，锅炉热膨胀产生的膨胀量完全被水平管段及连接阀门的竖直管段所吸收[2]，导致球阀出口侧法兰八角垫长时间受力不均匀。锅炉负荷变化导致温度发生变化；温度变化导致锅炉膨胀量发生变化；锅炉膨胀量发生变化，使得法兰螺栓所受拉应力也随之改变。高负荷应力分析如图3所示，低负荷应力分析如图4所示。长时间受交变应力作用，导致阀门法兰螺栓和八角垫产生金属疲劳[3]，最终导致阀门漏泄的发生。

图3　高负荷应力分析

图4　低负荷应力分析

2　处理措施

2.1　改进密封形式

原密封形式为金属八角垫硬密封，在长时间交变应力的作用下不可避免会产生金属疲劳。若选用金属缠绕垫或柔性密封垫，则会因强度不足而影响使用寿命[4]。通过结合刚性密封盒与柔性密封两者的优点，对密封形式进行改进。在金属八角垫外侧的阀体上开槽，加装一层高强石墨垫片。改进后，以八角垫密封为主，以高强石墨垫片密封为辅，并通过八角垫在阀体上的开槽使法兰间隙变小，减少法兰在受到不均匀应力时产生的变形，有效降低法兰漏泄风险[5]。改进前、后的阀体密封结构对比，如图5所示。

2.2　优化管系布置

由于管系存在先天设计缺陷，导致阀门处应力集中，因此应优化管系布置以改变管系应力分布状态。可通过采取延长管线或在管系中安装膨胀补偿装置等措施，对管系布置进行优化。由于延长管线受场地大小等因素制约，因此优先选择加装膨胀补偿器。通过加装膨胀补偿器，可减小阀门法兰所受应力。通过加装管卡将阀门入口端固定，将阀门整体变为固定端，使管系自由端上移，可有效减小阀门法兰受力[2]。优化管系布置后的效果如图6所示。

图6　优化后效果图

2.3　更换为单片式阀体球阀

单片式阀体球阀在出口侧没有法兰螺栓，而是采用焊接密封。由于采用焊接密封能提高阀体的强度，因此将原高压球阀更换为单片式阀体球阀可有效降低漏泄的风险。

3　结论

通过实例分析，找出高压球阀漏泄的根本原因，提出改进密封形式、优化管系布置和更换单片式阀体球阀的处理措施，为同类型阀门漏泄故障的排除提供参考。

[1] 吴尖斌.高压球阀的结构设计[J].阀门,2004(5):4-6.

[2] 张耀,曹小平,王春芬,等.材料力学[M].北京:清华大学出版社,2015(9).

[3] 华劲松,经福谦,谭华.动载荷下材料的屈服强度变化[J].固体力学学报,2001,22(4):421-426.

[4] HGJ70-91钢制管法兰用柔性石墨复合垫片.

[5] 严旭明.密封垫片的选型与安装[J].液压气动与密封, 2008,28(4):4-7.

Analysis and treatment of the leakage for the high pressure ball valve

LIU Bin

(Yuanbaoshan Power Generation Co., Ltd., Chifeng, Inner Mongolia 024070, China)

The high-pressure ball valve of 600 MW Unit Boiler in Yuanbaoshan Power Generation Co., Ltd. has frequent leakage defects. Through the analysis of high-pressure ball valve structure characteristics, the cause of leakage of high-pressure ball valve is analyzed combined with pipeline layout characteristics. It is found that the uneven force of the flange bolts on the outlet side of the ball valve caused by the hot and cold thermal expansion of the boiler and the unreasonable piping arrangement, and the dislocation of the flange steel gasket are the main reasons for the leakage of the ball valve. By adding a flexible seal to the outlet flange of the ball valve and optimizing the pipeline layout, the leakage phenomenon of the ball valve can be eliminated. In addition, the ball valve with a single valve body structure can also avoid similar problems.

high-pressure ball valve; leakage; sealing; optimization

TH134

A

2096–8736(2021)03–0025–03

刘斌(1986—)，内蒙古赤峰人，大学本科，工程师，主要研究方向为提高汽水系统阀门运行可靠性。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：唐琦军