球閥耐火試驗失敗原因分析

吳磊

（合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031）

球閥耐火試驗失敗原因分析

吳磊

（合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031）

介紹了球閥耐火試驗中各種失敗的現象，從耐火試驗失敗的各種現象中分析了球閥耐火結構的合理性，并通過圖例進行了闡述，提出了一些解決辦法。

耐火試驗；內泄漏；外泄漏

1 概述

球閥是目前石油化工、長輸管線使用最為頻繁的閥門種類之一，因石油化工工業的生產流程復雜，而且在生產過程中使用的原材料、半成品、成品以及各種輔助材料大都是易燃易爆物質，極易引發火災和爆炸事故。而用在某些易失火場合的球閥由于處在易發生火災的環境中使用，球閥結構上都應做特殊的耐火設計使閥門在遭受一定時間的火燒后仍具有一定的密封性能及操作性能，從而避免關鍵位置處的球閥一旦因火燒失效而造成更大的危險及損失。

進行球閥的耐火試驗是衡量球閥耐火結構是否合理的最有效、直接的辦法，從目前我國各主要球閥生產企業的實際進行的耐火試驗結果來看，不合格率仍然較高，且目前有關技術資料更多的是從設計的角度理論上分析球閥在火燒過程中密封結構的合理性，而少有根據耐火試驗的具體結果來分析球閥在耐火試驗中各種失效的原因。本文從試驗的角度來分析球閥耐火試驗過程中易出現的問題及造成這些問題的原因。

2 耐火試驗標準

現行的適用于球閥的耐火試驗標準有如下幾項：API 607-2016《轉1/4周閥門及非金屬閥座閥門的耐火試驗》；API 6FA-1999(R2011)《閥門耐火試驗規范》；ISO 10497-2010 《閥門試驗 閥門耐火試驗要求》；GB/T 26479-2011《彈性密封部分回轉閥門耐火試驗》。

以上標準，在耐火試驗設備及方法的要求上基本一致，僅在試驗過程中溫度監測點的布置、試驗后閥門的操作及漏量的要求值幾點有所不同，所以對于球閥耐火結構的考核可以認為是一致的。

3 試驗要求

如圖1、圖2所示，球閥耐火試驗是將被測球閥閥桿以水平位置安裝在試驗管道上，被測閥門處于關閉狀態。管道及被測球閥體腔內充滿水并使系統內的水壓達到標準規定值，點燃氣體燃料并保證被測球閥完全被火包圍，閥體周圍的火焰溫度及閥體各部位的溫度在一定時間內達到標準要求（一般要求應≥650℃），在溫度滿足要求的情況下持續燃燒30分鐘，檢查火燒期間閥門的內、外泄漏及火燒結束冷卻后閥門的內、外泄漏。

圖1 典型球閥耐火試驗系統圖

圖2 球閥火燒期間狀態

4 考核項目及問題分析

球閥的耐火試驗主要考核的是火燒期間及火燒結束冷卻后的泄漏量，分為火燒期間及冷卻后的內泄漏及火燒期間及冷卻后的外泄漏。

4.1 火燒期間及冷卻后的內泄漏情況分析

內泄漏是指在試驗壓力下通過球閥閥座的泄漏，火燒期間的內泄漏和冷卻后的內泄漏都是由球體與閥座形成的密封結構所決定的。無論哪個耐火試驗標準對火燒期間的內泄漏指標的要求并不高，所以此指標的通過率相對較高，但也有部分球閥因閥座及球體的耐火結構設計不合理而在火燒期間的內泄漏超標。而各個標準對火燒結束冷卻后的內泄漏要求相對較高，如API 6FA-1999（R2011）對冷卻后低壓情況下閥門內泄漏量的最大允許泄漏量僅為40ml/in．/min。

球閥在火燒期間由于閥座環、閥體及球體受熱程度及材料的不同使得閥座環、閥體、球體受熱后的變形量不同，再加之軟密封閥座在受熱后逐漸熔融等原因，會造成火燒期的一段時間內球體與閥座之間難以產生良好的密封而造成泄漏，基本上所有的球閥火燒期間在溫度上升的過程中都會產生泄漏，但如果球閥的閥座耐火結構合理，在火燒的后期或冷卻后內泄漏會減小甚至消失。

圖3 浮動球結構球閥的耐火閥座密封結構示意圖

浮動球結構球閥在火燒前及火燒后的閥座密封形式如圖3所示，浮動球閥的球體可以在閥內介質力的作用下產生軸向的位移并與非金屬密封閥座形成良好的密封，即球閥下游閥座與球體的密封為浮動球閥的主密封，如圖3（a）所示。在火燒結束后軟密封閥座因高溫的作用而逐漸熔融，若耐火結構合理，則火燒后浮動球閥的球體可以在閥內介質力的作用下產生軸向的位移，與第2道金屬密封閥座形成良好的密封，從而達到耐火結構設計的目的，如圖3（b）所示。但是在火燒期間若閥門尺寸較大，熱量傳遞則會較慢以及閥座在浸水的情況下逐漸升溫，極易造成部分閥座沒有很好的熔融，從而使得球體無法與第2道金屬密封閥座形成密封。加之此時原非金屬軟密封閥座已經高溫損壞，所以這種情況下極易形成閥座泄漏大的情況，是閥門耐火試驗內泄漏失敗的情況之一，如圖3（c）所示。另一種情況，在火燒結束后非金屬閥座在高溫條件下完全熔融，但由于第2道金屬閥座與球體在設計時的間隙過大，從而使得浮動球即使在介質力的作用下有位移也難以跟閥座產生很好的密封，從而造成閥門耐火內泄漏試驗的失敗，如圖3（d）所示。

圖4 浮動球結構球閥的耐火閥座密封結構示意圖

固定球結構球閥在火燒前及火燒后的閥座密封形式如圖4所示，固定球閥因有支撐軸支撐球體，所以球體不可以產生軸向的位移，但其閥座是浮動的，可以在介質壓力的作用下產生位移并與非金屬密封閥座形成良好的密封，所以球閥上游閥座與球體的密封為固定球閥的主密封，如圖4（a）所示。固定球閥的幾種內泄漏失效形式與浮動球閥類似，區別是固定球閥是靠閥座的位移與球體產生密封，另外因固定球閥主密封為上游密封，故火燒期間在溫度上升過程中閥體腔內的水會泄漏到下游流出。但此部分泄漏量在標準中也明確說明不作為閥門的內泄漏量，可以通過計算閥體腔的容積后扣除，所以在火燒初期閥門出現內泄漏且漏量并沒有超過閥體腔的容量，則可能并不是閥座耐火結構設計的原因造成。固定球閥火燒過程閥座的幾種情況示意圖如圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）及圖4（d）所示。

4.2 火燒期間及冷卻后的外泄漏情況分析

外泄漏是指通過閥體連接處、閥桿填料密封處以及其它部件連接處從閥體內向閥體外的泄漏，從近幾年國內耐火試驗的結果來看，球閥耐火試驗因外泄漏造成的試驗失敗高于內泄漏失敗的情況，尤其是火燒結束后球閥操作試驗的外泄漏失效，幾乎占所有試驗失敗情況的一半以上，是耐火試驗失敗的主要原因。

4.2.1 閥體連接處產生的外泄漏情況分析

如圖5所示，除全焊接球閥外，球閥閥體的連接都是由螺栓及墊片密封連接，所以耐火試驗中閥體連接處若出現外泄漏情況，一般也是由于螺栓或墊片的問題造成。

圖5 球閥閥體連接密封結構示意圖

耐火結構球閥的墊片一般選用耐高溫的墊片，如不銹鋼石墨纏繞墊、金屬八角墊等。通過長期試驗結果來看，石墨墊片雖然也可以經受高溫，但由于耐火試驗過程中有點火后驟熱及火燒后噴水驟冷的過程，以及閥體受熱變形等原因，所以石墨墊片因本身強度不夠從而極易出現破裂使得外泄漏試驗失敗，故一般閥體連接不建議用石墨墊片。而聚四氟乙烯、橡膠等非金屬復合材料墊片等因其耐溫程度有限，不允許作為耐火結構球閥的閥體連接墊片使用。

耐火結構球閥的螺栓一般使用強度等級較高的鉻鉬鋼螺栓，若采用強度等級較低的螺栓，則在火燒及冷卻結束后因螺栓的變形極易造成螺栓預緊力減小的情況，此時即使閥體連接處的墊片選用正確也會因預緊力的減小而造成閥體連接處的外泄漏。

此外，閥體連接墊片在閥體連接裝配時應考慮內外的止回保護，因為在火燒過程中球閥體腔內的壓力逐漸升高，若墊片裝配不合理，球閥中腔壓力在火燒過程中就有可能從中腔噴泄，泄壓過程中甚至將墊片損壞，從而造成閥體連接處的外泄漏超標。

4.2.2 閥桿填料密封處產生的外泄漏情況分析

由于球閥使用過程中需要閥桿操作球體進行閥門的啟閉操作，填料與閥桿之間的密封屬于動密封，如圖6所示。

圖6 球閥閥桿填料密封結構示意圖

耐火結構球閥的閥桿密封填料應選用耐高溫填料，如柔性石墨。而聚四氟乙烯、尼龍、橡膠等材料的填料墊因其耐溫程度有限，不允許作為耐火結構球閥的閥桿密封填料使用。耐火結構球閥的閥桿密封填料是通過填料壓套來壓緊，從而與光潔的閥桿表面形成密封。若壓緊填料螺栓強度不夠，則也很有可能在火燒后因螺栓的變形甚至斷裂導致填料預緊力不夠而產生外泄漏。閥桿填料一般是多層使用，在耐火試驗過程中也曾發生因填料層數不夠在火燒后出現外泄漏的情況，所以耐火結構球閥的閥桿填料的層數也是結構設計中應考慮的因素。

5 結語

球閥的耐火性能最有效的考核方式就是進行耐火試驗，理論分析僅是提供耐火結構設計的思路，而通過球閥耐火試驗的各種失敗現象來進一步優化耐火結構的設計，是保證球閥具有可靠耐火性能的保障。在某些情況下雖然試驗失敗的表面情形一樣，但經過分析或者解體閥門檢查會發現其原因不盡相同，從試驗發現的情況反向解決設計的問題是我們進行球閥耐火試驗的真正意義所在。

[1]API 607-2016,Fire Test for Quarter-turn Valves and Valves Equipped with Nonmetallic Seats [S]．

[2]API 6FA-1999(R2011), Specification for Fire Test for Valves[S]．

[3]ISO 10497-2010, Testing of valves-Fire type-testing requirements[S]．

[4]GB/T 26479-2011,彈性密封部分回轉閥門．耐火試驗[S]．

[5]吳磊，王曉鈞． 閥門的耐火試驗 [J]．閥門，2009（2）: 11～13．

TH134

A

1671-0711（2017）09（上）-0131-03