閘閥中腔異常升壓的危害與防護

前言

閘閥通常有單閘板、雙閘板、楔式、平行式等結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中楔式雙閘板（Z42、Z62 系列）及楔式彈性閘板（Z40、Z60 系列）應(yīng)用最為廣泛，前者關(guān)閉時閘板自動吻合兩側(cè)閥座，自動補償楔角的加工位置誤差；后者則依靠閘板中部的彈性槽，靠閥桿的軸向推力補償楔角的加工位置誤差，兩者均達到較好的密封效果。正是由于其雙側(cè)的優(yōu)良密封，在某些場合會產(chǎn)生中腔壓力異常升高現(xiàn)象，即當高溫高壓流體（液體或氣體）被封堵于閥門中腔時，若上游側(cè)（見圖 1）流體溫度升高，中腔（見圖 1）流體會被熱傳遞同步升高，由于中腔休積無法擴大，封堵中腔流體由冷態(tài)變?yōu)闊釕B(tài)時，液體可能迅速汽化，導(dǎo)致壓力急劇升高，增高的壓力常常是幾何級數(shù)。

圖 1 中腔異常升壓說明

閥門超壓工作的后果是十分嚴重的。閥門中腔異常升壓時，其承壓件及啟閉件的工作應(yīng)力（如閥桿及閘板架的使用應(yīng)力）均會急劇增加，驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動力會不堪重負，甚至無法啟動，嚴重時閥桿拉斷、閘板架斷裂、電機燒壞，這些現(xiàn)象在許多高壓大口徑閘閥中屢見不鮮，不少用戶常常抱怨這是閘板“咬死”，其實“咬死”的真實原因常常是中腔的異常升壓這一“隱形殺手”。

典型的案例如 Z962Y 系列楔雙閘板閘閥運用于火電廠給水系統(tǒng)及其旁路時，這類閥門一般先在冷態(tài)作水壓試驗后關(guān)閉，當機組啟動時系統(tǒng)溫度升高到 250~300℃ 時，由于溫度急劇升高，封閉中部的冷態(tài)水溫會同步急劇升高汽化，使流體體積增大，壓力升高，此時若要開啟閥門要么驅(qū)動力矩足夠大，要么閥桿組件強度足夠高，否則常常出現(xiàn)閥桿斷裂、閘板架斷裂、閘板 T 型槽開花、斷裂，使給水泵無法啟動，導(dǎo)致嚴重的停爐停機事故。

2 異常升壓的危害

異常升壓的形成在許多閘閥的應(yīng)用場合會驚人相似地發(fā)生，因為其發(fā)生的兩大要素在許多工業(yè)系統(tǒng)是相似的，即系統(tǒng)介質(zhì)在開機后，由冷態(tài)變熱態(tài)；閘板在冷態(tài)關(guān)閉，熱態(tài)時開啟。因而若不對系統(tǒng)采取措施，異常升壓對系統(tǒng)的破壞幾乎是無法避免的，其有 3 方面危害：

（1）對閥門本身的破壞

閥門殼體、閥蓋及閥桿零件的強度一般以閥門的公稱壓力設(shè)計其強度，異常升壓時，其開啟壓力會成倍提高，導(dǎo)致相關(guān)零件的使用應(yīng)力成倍升高，當材料實際應(yīng)力超過許用應(yīng)力時，高應(yīng)力部位會產(chǎn)生斷裂破壞，導(dǎo)致閥門無法開啟，閥門整機將損壞或報廢。

（2）對系統(tǒng)安全的破壞

顯而易見，殼體、閥蓋等承壓件超壓時是非常危險的，一旦超壓其薄弱部位或許會先發(fā)生穿孔，引起介質(zhì)外漏；其填料及自密封圈部位往往會被高壓流體沖出，引起介質(zhì)大量外漏。當介質(zhì)是高溫氣體、有毒氣體、有害氣體時會更加嚴重，甚至會造成設(shè)備與人員的傷害。

（3）對生產(chǎn)控制流程造成巨大損失

閥門的正常啟閉是各類工業(yè)流程控制的關(guān)鍵，一旦這種控制無法實現(xiàn)時，系統(tǒng)癱瘓須停機檢修，這將會造成巨大的直接或間接損失。

3 防護措施

從設(shè)計、安裝、調(diào)試等方面入手，從根本上消除中腔異常升壓是完全有可能的，歸納常用 3 套方案供廣大用戶參考：

（1）閥門內(nèi)部開設(shè)泄壓孔

解決中腔異常升壓的根本是平衡中腔壓力，開設(shè)泄壓孔是最經(jīng)濟有效的方案，圖 2 所示分別為在上游側(cè)閘板及進口側(cè)閥座外圓開設(shè)了泄壓孔，當中腔壓力升高時，中腔壓力會自動向上游側(cè)泄放，始終保持中腔壓力與上游側(cè)壓力相等，從而避免異常升壓的發(fā)生。

圖 2 閥門內(nèi)部開設(shè)泄壓孔

（2）閥門安裝外旁路泄壓

對已出廠的閥門可采用安裝時外旁路及外設(shè)泄壓閥降低中腔壓力，如圖 3 所示。

圖 3 閥門安裝外旁路泄壓

采用外設(shè)帶截止閥的旁路聯(lián)通中腔與上游側(cè)，當主閘板關(guān)閉后截止閥可關(guān)閉（視中腔溫度變化情況，過高時須開啟）。當開啟主閘閥時，應(yīng)先行開啟旁路截止閥，降低中腔壓力后再啟動主閘閥。

（3）閥門外部安裝專用泄壓閥

圖 4 閥門安裝專用泄壓閥

圖 4 所示為在閘閥中腔外設(shè)泄壓閥控制壓力范圍，設(shè)定泄壓閥的排放壓力為主閥門的額定工作壓力，當中腔超壓時，自動排放到設(shè)定壓力，從而維護主閘閥的安全運行。

圖 5 泄壓閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖 5 為泄壓閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖（可供參考）。泄壓閥前安裝了截止閥，便于泄壓閥的調(diào)整與檢修。泄壓閥的壓力設(shè)定通常可按 1.33PN 考慮（PN 為系統(tǒng)閥門的公稱應(yīng)力）。

除此之外，閥門調(diào)試時，尤其是電動閥調(diào)試時，應(yīng)注意關(guān)閉行程及力矩的控制，盡可能將關(guān)閉力矩調(diào)小些，防止楔死閘板；高溫閥門應(yīng)考慮高溫狀態(tài)閥桿熱脹引起的閘板楔死，建議高溫高壓大口徑閘閥調(diào)試時，閘板到位后適當后退閥桿，避免真正咬死事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

異常超壓是雙閥座類閘閥的隱形殺手，嚴重威脅著設(shè)備及系統(tǒng)的安全運行，必須引起重視；閘閥，尤其是高溫、高壓、大口徑閘閥設(shè)計安裝時必須考慮異常超壓的發(fā)生，并采取必要的預(yù)防措施。