調節閥填料處介質泄漏的技術性分析及處理

呂朝帥，李保林，張親保

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

0 引言

海洋石油富島有限公司化肥一部日產1000 t 合成氨裝置，采用英國ICI-AMV 工藝，由承包商日本千代田化工建設，具有能耗低、大型化、運行安全可靠、流程簡潔的特點。該裝置于1996 年竣工投產，生產裝置已運行24 年，在裝置的回收系統（氨回收+氫回收）中，由于裝置設備的使用年限長，調節閥運行中發生填料函介質泄漏情況逐漸增多。對其中一臺（KV11008）調節閥填料泄漏問題，進行充分的技術分析，介紹實施改造的過程，處理的結果及得出結論，并提出該類調節閥后續的處理建議。

1 調節閥結構功能

1.1 工藝流程

合成氨裝置回收單元回收的氨作為產品氨送至氨收集槽08D001，回收的氫氣返回氨合成回路循環段補充進入合成塔反應并調整H2/N2比。該閥門在氫回收單元，其全關時進出口介質壓差達10 MPa，正常運行狀態下溫度變化范圍為5～230 ℃。

1.2 結構

KV11008 調節閥是氣動控制閥，其開關形式是氣開式、事故關閥型。調節閥是低進高出流向，調節閥的行程為50 mm。

調節閥KV11008 閥桿如圖1 所示，閥桿與閥芯是一體的，其總長度340 mm，閥桿長度為200 mm，閥芯20 mm，導向120 mm。其導向的作用是減小閥芯在流體的作用下的異常振動，保證閥桿與閥座、填料函的同軸度。經測量閥桿中填料相對運動長度為110 mm。

圖1 調節閥KV11008 閥桿

1.3 填料密封機理

該閥門原裝使用成型石墨填料，用于閥門閥桿與填料相對滑動部位的外密封，防止內部介質從相對滑動部位向外泄漏。該閥門一般有8～9 層填料。假設最上面為第1 層填料，第1 層填料受到填料壓蓋和填料壓環的共同作用，在此作用力下使填料軸向壓縮，進而往徑向膨脹產生塑性變形，擠壓填料函內壁和抱緊閥桿，起到密封作用，直至達到填料足夠的塑性變形，再將剩下的填料壓蓋和填料壓環的共同作用力傳到第2 層，以此類推直至最底層。填料的變形量也由第1 層逐漸變小，因而填料密封性能由上到下逐漸減弱。

2 調節閥填料處介質泄漏的原因分析

2.1 填料壓環與閥桿和填料函間隙對填料處介質泄漏的影響

通過對填料壓環進行測繪結果如圖2 所示，其內徑為17.04 mm、外徑為25.90 mm。測得填料函內徑為26.00 mm，則可以算出填料壓環與填料函半徑間隙為（26.00-25.80）/2=0.10 mm。

圖2 原裝填料壓環

測得閥桿直徑為16.00 mm，則可以計算出填料壓環與閥桿半徑間隙為（17.04-16.00）/2=0.52 mm。

如果閥桿與填料壓環、填料函與填料壓環間隙過小則可能導致其抱死，影響閥門的正常使用；如果閥桿與填料壓環、填料函與填料壓環間隙過大則可能引起閥門填料經常性介質泄漏，嚴重時介質帶動填料泄漏，導致每次緊固作用較小，多次緊固后會將預留緊固余量用完，造成嚴重泄漏，且無法緊固，影響裝置安全穩定運行。

考慮閥桿、填料壓環和填料函的熱脹冷縮、材料銹蝕、同軸度等問題，其半徑間隙應控制在適當的尺寸范圍。

由此通過測量計算，發現該閥門填料壓環與閥桿間隙過大，應對其做適當調整。

2.2 填料材質對填料處介質泄漏的影響

該閥門最初原裝填料為成型柔性石墨環填料，其潤滑性和膨脹性都比較好，但缺點是材質脆、易碎。

為克服成型柔性石墨環填料材質脆、易碎的缺點，建議將成型柔性石墨環填料與黑四氟編制填料共同使用，因為黑四氟編制填料很柔軟、潤滑好、沒有石墨顆粒在盤根表面，且溫度適用范圍小于280 ℃，可與成型柔性石墨環填料互補。

因成型柔性石墨環填料的材質脆、易碎，應放在填料函中間部位使用；由于黑四氟編制填料很柔軟，且沒有石墨顆粒在盤根表面，能很好的防止成型柔性石墨環填料磨下的石墨粉掉入回路，固將其安裝在上、下層面。

2.3 填料的安裝方法對閥門填料處介質泄漏的影響

填料裝入填料函內以后，經填料壓蓋和壓環對填料施加軸向力，使填料產生徑向塑性變形，與閥桿緊密接觸，形成密封。由該閥門填料密封的機理得知，該閥門填料在填料函中一般呈現上緊下松，受力不均勻，導致下部分填料徑向變形少，密封效果差。

在加裝填料時應一層一層添加，并同時用專用工具逐層壓緊，使填料初始便產生足夠的徑向塑性變形，使填料壓環和壓蓋施加的軸向力更多的傳遞下去，最終讓各層填料受到相對均勻的壓力。特別要注意的是若用盤根或開口填料，其開口方向上下層應錯開120°或180°放置。

3 調節閥的處理

（1）對調節閥填料函進行解體檢修，對填料壓環進行設計改造重新加工。改造后的填料壓環如圖3 所示，將其內徑由17.04 mm更改為16.40 mm，計算得出填料壓環與閥桿半徑間隙為（16.40-15.98）/2=0.21 mm。此時填料壓環與閥桿半徑間隙由檢修前的0.53 mm 減小至0.21 mm，填料壓環與填料接觸面增大，填料壓環均勻的將填料壓蓋的緊固力均勻地傳遞到填料，保證填料的密封性。

（2）該閥門原裝壓環在實際檢修中，由于閥門填料緊固至較低位置，所以填料壓環壓入填料函較深，露出的部分較少，填料更換檢修時填料壓環難以取出。在填料壓環上部增加1×1 的溝槽（圖3），方便填料檢修時填料壓環的取出，節省檢修的人力物力，縮短了檢修時間。

圖3 改造后的填料壓環

（3）將原裝成型柔性石墨環填料與黑四氟編制填料共同使用，克服成型柔性石墨環填料的缺點，增加密封可靠性。

通過上述的處理，對閥門進行清洗、回裝、投運，調節閥填料經常泄漏介質的故障消除，故障問題得到解決。

4 存在問題分析

（1）閥門填料壓環設計存在不足，填料壓環內徑與閥桿間隙過大，造成填料壓緊不均勻，不能使填料均勻的包圍在閥桿和周圍，對閥桿施加的徑向密封力也不均勻，使填料密封存在薄弱點，是造成閥門填料處介質泄漏的原因之一。

（2）閥門填料材質的選用存在不足，由于閥門內介質為氫氣，其氣體分子極小，密封難度很高，進而對填料材質的要求也很高。所以原裝的成型柔性石墨環填料材質脆、易碎，是造成閥門填料處介質泄漏的次要原因。

5 結束語

由于閥門填料壓環的設計和填料材質的選用不合理，運行中存在閥門填料處介質泄漏在所難免，閥門填料部分經過改造和修理徹底解決了閥門填料處介質泄漏問題，基本上保證了閥門填料在一個運行周期內安全穩定運行。

因為閥門填料密封機構存在設計上的不足，經過此次對填料機構的填料壓環及填料材質安裝的設計改造，已經基本解決填料處介質泄漏問題。但是由于該閥門工作溫差大、壓力高，且介質為氫氣，所以該調節閥填料處仍有介質泄漏的可能性。為確保裝置的穩定運行，仍需對該閥門進行適時的監測，另外建議在可燃氣、有毒氣體的閥門選型應選擇波紋管密封形式的閥門。