超高压调节阀的密封设计与试验

刘祥春

(上海石油化工股份有限公司,上海 200540,E-mail:liuxc.shsh@sinopec.com)

在石油化工生产中,高压聚乙烯LDPE装置和高压聚乙烯醋酸乙烯EVA装置的设备压力非常高[1],为了控制反应器进料流量和出口压力,往往在生产装置中设置调节阀[2-4],要求调节精度高、内部流场稳定性好。由于超高压调节阀承受工作压力为360 MPa,设计温度为350 ℃,如此高的压力阀门容易产生泄漏。因此研制该调节阀应考虑材料强度、调节精度、密封性能等要求,目前为止该调节阀一直依赖于进口价格昂贵[5]。随着我国石油化工行业的不断发展,高压聚乙烯工艺及设备国产化,尤其是超高压阀门国产化迫在眉睫,但是在研制过程中,密封问题是关键性技术问题。因此,有必要对超高压阀门的密封问题开展研究,这项研究工作对超高压阀门的国产化研制、填补国内关键技术领域的空白具有重大意义[6]。

1 超高压调节阀密封结构设计

超高压调节阀主要由上阀体及下阀体、阀座、阀芯、填料组、套筒、阀座自密封O形圈、填料压盖、锁紧螺母、阀体试压法兰、透镜垫等组成,超高压调节阀的结构如图1所示。在生产过程中,对超高压调节阀的调节精度要求为0.1%,调节精度高。高温高压下阀体内的LDPE介质处于熔融状态,介质具有较高的粘度,若阀门内部结构复杂容易造成LDPE介质积聚在阀体内部,造成阀门堵塞。因此用于LDPE装置的超高压调节阀选用角形结构。角形结构阀门流路简单,阀体入口与出口呈90° 直角,内部流道中的死区和涡流区少,在介质流动过程中,可借助介质的流动对阀体内壁产生一定的冲刷作用,能有效防止介质在阀体内部发生堆积,对熔融状态下粘度较高的LDPE流体尤其适用。该调节阀是从底部进料侧面出料,保证介质不产生堆积和冲刷[7-8]。

1.1 阀杆处填料密封结构

超高压调节阀阀杆处的V型填料组密封结构如图2所示,该密封结构是利用传统的多层填料密封圈堆叠组合方式上进行的。在每组填料密封圈组合中间加上金属隔套,使多个填料组密封结构进行串联,形成了新型的多组多重填料密封结构,避免了传统V形填料密封圈受到压力影响后互相挤压传递应力引起密封圈失效。这种新型填料密封结构特点不但增大了填料密封结构的刚度,而且提高了阀杆处动密封性能,能更好地防止超高压调节阀密封泄漏的发生。

▲图1 超高压调节阀结构图

▲图2 超高压调节阀填料组结构图

1.2 阀体与阀座密封结构

阀体与阀座处利用阀芯与阀座锥面密封和O形圈密封组合形成新型的双重密封结构,如图3所示。从图中可以看出,阀芯与阀座均采用了锥面的形状,锥形密封面结构可以保证阀门在关闭时密封面间不存在间隙,能够有效切断介质的流动,而且锥面密封不容易在阀芯阀座处堆积杂质。在阀门开启时,介质在流过阀座的锥面时,不会因为流截面的突然变化产生气穴现象,影响阀门的稳定运行。锥形密封面接触宽度较小,密封面上可以获得较高的密封比压,密封性能好,这种新型的双重密封结构能承受超高压调节阀载荷,并能起到很好的密封作用。

▲图3 超高压调节阀阀体与阀座密封结构图

1.3 阀体法兰处透镜垫密封结构

超高压调节阀在入口和出口处都采用法兰透镜垫组合的密封结构进行密封,如图4所示。透镜垫的上下两个表面为球面,与之配合的法兰接触面和阀体接触面为锥面,接触宽度小从而能获得较大的密封比压。结合超高压的工况特征,为满足结构的强度要求,超高压调节阀中透镜垫的材料选用05Cr17Ni4Cu4Nb,属于马氏体沉淀硬化型不锈钢,在固溶强化后,机械性能得到了很大的提升,强度高,硬度大,抗腐蚀性能好,耐压强度达到1 100 MPa～1 300 MPa。

▲图4 超高压调节阀透镜垫结构图

2 高压密封机理及密封性能有限元分析

调节阀长时间运行受到高压、高温、介质冲击与腐蚀的影响,易出现零件磨损、设备老化等问题导致在生产过程中出现泄漏。阀门的泄漏故障主要集中在外部泄漏,即阀杆处的填料密封和阀体间的密封,外部泄漏对调节阀产生的影响较大。

2.1 泄漏故障的流量特性

对超高压调节阀在不同位置发生泄漏时的三维模型进行仿真分析,获得每种泄漏故障情况下,超高压调节阀不同开度对应的模拟流量,通过计算相对流量得到不同泄漏部位下超高压调节阀的流量特性曲线。图5为超高压调节阀在三种泄漏情况下的流量特性曲线[9-11]。

从流量特性上来看,在进出口压力不变的条件下,无论调节阀有无泄漏故障,中小开度时超高压调节阀的流量随开度的增大变化较为明显,说明该超高压调节阀属于快开型阀门,在较小开度下就能获得较大的流量,当阀门开度增大到一定程度后,流量随开度的增大变化较小。但从不同泄漏故障下的流量特性曲线图分析可得出,在超高压调节阀10%-40%的主要开度下,调节阀的快开特性受出口泄漏故障的影响明显,其流量特性曲线出现下凹,因此出口发生泄漏时,超高压调节阀的快开性能会被减弱;入口处泄漏和阀杆处泄漏对超高压调节阀在10%-40%开度下的流量特性影响不大[12]。

2.2 密封性能的有限元分析

超高压调节阀的密封结构设计和泄漏故障直接影响着高压聚乙烯装置的安全生产,因此结合实际工况对各密封结构进行有限元分析非常重要[13]。通过建立V型填料密封、阀芯与阀座密封、金属O形圈密封和透镜垫密封的三维模型,基于ANSYS软件进行有限元分析,得到实际工况条件下各密封结构的接触压力分布情况,判定该超高压调节阀的密封性能[7]。

2.2.1 填料组密封性能的有限元分析

填料安装在阀杆处,实现阀杆处的动密封,防止阀门在工作过程中发生外部泄漏。填料安装完成后,填料压盖的压紧使V型填料组合获得一定的压缩量,与上阀体、阀杆接触面产生接触压力,形成密封。已知该超高压调节阀的V型填料组合最大压缩量为10 mm,对V型填料组合施加不同的压缩量,分析比较不同压缩量下填料密封组合的密封性能,保证超高压调节阀V型填料组合的密封可靠性。表1为不同压缩量下V型填料密封组合的最大接触压力值。

表1 不同压缩量V型填料组合最大接触压力值

▲图5 各泄漏故障的流量特性曲线

根据上表的数据分析可知,最大接触压力随压缩量的增大而增大,当压缩量为3 mm时,填料组合与阀杆的最大接触压力为225.43 MPa,与上阀体的最大接触压力为222.34 MPa,均小于超高压调节阀工作时的实际压力260 MPa,不能对介质流体起到密封作用,容易发生泄漏。当压缩量大于5 mm时,填料组合与阀杆的最大接触压力、与上阀体的最大接触压力均大于工作时的介质压力,即使超高压调节阀在设计压力360 MPa下工作时也能够对介质流体起到密封作用。图6和图7分别是压缩量为3 mm、5 mm、7 mm时V型填料组合加载后与上阀体接触面、阀杆接触面的接触压力云图。

▲图6 填料组合与上阀体接触压力云图

▲图7 填料组合与阀杆接触压力云图

从图6和图7的接触压力分布情况可得,接触压力沿轴向方向递减,填料组合与上阀体、阀杆的最大接触压力都发生在与上填料座相邻的V型填料处,密封面上最大接触压力呈封闭环状分布,即接触面上存在一圈连续不间断的最大接触压力,并且当压缩量大于5 mm时,该最大接触压力值大于介质压力260 MPa,当流体流经时,介质不能流出,不存在泄漏通道,能够进行密封。

2.2.2 阀芯与阀座密封性能的有限元分析

调节阀关闭时,阀芯与阀座接触形成密封,阀芯受到的推力传递到阀座锥面上,形成密封比压[14]。当密封比压大于计算的必需比压时,能形成有效密封。根据密封比压公式可知,密封比压的大小受轴向力、锥面宽度、锥角值的影响,其中密封比压受锥角值的影响更大。因此在分析超高压调节阀阀芯与阀座的密封性能时,在轴向力和锥面宽度一定时,改变阀芯的锥角值,取阀芯的锥角分别为60° 、90° 、120° ,研究不同角度下的密封性能。图8和图9分别为不同角度时阀芯与阀座的等效应力云图,图10为对应角度下密封面的接触压力云图。

从图8和图9可以看出,不同角度下阀芯、阀座的等效应力都在材料抗拉极限以内,零件并未出现失效,满足要求。

不同角度下阀座的等效应力最大值均发生在密封面上,整体分布沿径向方向减小,等效应力的主要数值集中在阀座内孔壁和密封接触面上,其分布情况符合预期设想。锥角为60°和90°时,阀芯的最大等效应力也出现在密封接触面上,与阀座的等效应力云图相对应,但是锥角为120°时,最大等效应力出现在阀杆处,同样锥角为60°和90°时,该处的等效应力也处于较大值。由于阀芯关闭时,液压执行机构在阀杆顶部给予一定的推力,阀杆长度较长且该处半径减小,受到的应力值就比较大。阀门关闭时速度较快,该截面位置还受到一定的冲击载荷作用,易发生失效。因此在使用时,要关注此处的应力值情况,避免阀杆因为应力值过大而发生断裂。

▲图8 阀座等效应力云图

▲图9 阀芯等效应力云图

根据分析可知,对于阀芯与阀座的锥面密封而言,当密封面上的接触压力大于必需比压时,则能有效密封。从接触压力云图上来看,接触压力在密封面上分布均匀,数值集中在平均接触压力值附近,最大和最小接触压力仅出现在边界线上。为便于比较,将各角度下的接触压力数值汇总如下,见表2。

▲图10 阀芯与阀座接触压力云图

表2 不同锥半角下的接触压力数值

从表2中可以看出,三个角度下密封面的最小接触压力均大于密封要求的必需密封比压832 MPa,都能够形成有效密封。在锥角为90°时,接触压力达到最大值,密封性能最好。当锥角增大到120°时,接触压力下降,是因为随着锥角的增大,阀芯的锥度其实是减小的,锥角越大,锥面越接近于平面密封,密封性能减弱。为保证阀门关闭时,调节阀不发生内部泄漏,密封面上的接触压力要越大越好,同时等效应力也要在材料的极限范围之内,因此选择阀芯锥角为90° ,此时接触压力最大,密封性能好,且阀芯与阀座的等效应力值都小于材料的极限值,未发生破坏。

2.2.3 金属O形圈密封性能的有限元分析

金属O形圈安装在阀座与上下阀体形成的凹槽中,形成初始压缩,密封面上产生接触压力。当调节阀工作时,介质流体进入O形圈内壁,在介质压力的作用下,密封面继续被压紧,接触压力增大。图11和图12分别为操作工况下金属O形圈的等效应力图和接触压力图。

▲图11 金属O形圈等效应力云图

▲图12 金属O形圈接触压力云图

从图11的等效应力云图可知,O形圈外表面的等效应力值超过镀银层的屈服极限,银层发生塑性变形,得到充分延展,能够填补密封面上的微小泄漏通道,使密封面紧密贴合,有利于密封。金属O形圈的最大等效应力值为1 131.10 MPa小于材料的抗拉极限值,因此金属O形圈没有发生失效,能够正常工作。

从图12的表面接触压力云图可知,O形圈表面接触压力分布均匀,最大接触压力出现在O形圈与上下阀体和阀座接触的上下表面。最大接触压力为376.02 MPa,大于介质流体压力260 MPa,且最大接触压力在密封表面上呈连续不间断的环带状分布,有一定的宽度,分布均匀。密封面上的接触压力相当于流体流经时受到的摩擦阻力,流体自身压力不能克服这一摩擦阻力,无法流出。因此,工况条件下,金属O形圈密封面上最大接触压力大于介质压力,能够对介质流体进行密封,满足密封的要求。

2.2.4 透镜垫密封性能的有限元分析

▲图13 透镜垫等效应力云图

▲图14 透镜垫表面接触压力云图

透镜垫安装在阀门进出口位置,在螺栓预紧力和介质压力的作用下,透镜垫上下两个表面产生触压力,形成密封。图13和图14分别为工作时透镜垫的等效应力云图和接触压力云图。

从图13透镜垫的等效应力云图中可知,透镜垫的等效应力由内向外递减,内部的等效应力大于外部,但数值没有超过材料的屈服极限,透镜垫内部仍然处于弹性变形阶段。最大等效应力出现在透镜垫的上下表面,其值为1 086.40 MPa,超过了材料的屈服极限但并未超过材料的抗拉极限,透镜垫并未发生破坏。等效应力值超过屈服极限说明在透镜垫的表面发生了一定的塑性变形,密封面被充分延展,能够紧密接触,有利于密封的形成。

从图14透镜垫表面的接触压力云图可知,接触压力在密封面上呈环状分布,且接触压力分布有一定的宽度,说明在加载后,透镜垫表面的接触形式由线接触变成了面接触,增加了密封宽度,提高了密封性能。透镜垫表面接触压力与透镜垫表面等效应力的分布趋势对应,说明仿真计算结果的可靠性。上下表面均存在一个封闭环,流体流经时,该封闭环的接触压力大于流体压力260 MPa,能够阻碍流体介质流出,达到密封效果。

通过超高压调节阀的结构设计和有限元分析,得到了研制超高压调节阀的技术参数。为了证实该调节阀能够在生产装置上运用,需要对该调节阀进行高压测试[15]。

3 超高压密封测试原理试验结果分析

通过对超高压调节阀泄漏故障可能产生的影响以及超高压调节阀在实际工况下的密封性能进行了仿真分析,结果表明超高压调节阀密封性能满足要求。为了验证超高压调节阀的实际密封性能,需要对其进行密封性能测试,即在实验室条件下对超高压调节阀进行泄漏检测。

3.1 超高压密封测试原理

▲图15 超高压调节阀试压系统原理图

图15为超高压调节阀试压系统原理图。超高压调节阀试压系统设备主要有超高压泵、截止阀、液压站、液压执行器、摄像头、光栅尺以及控制电脑组成。根据原理图可知,图中蓝色部分区域即为超高压调节阀,调节阀的入口连接截止阀M1和超高压泵,出口连接截止阀M2。液压执行器与阀芯顶部连接,控制阀门的开启以及开度的调节,液压站为液压执行器提供动力。在开始试验时,由入口处的超高压泵对调节阀进行加压,截止阀M1开启,截止阀M2关闭,待加压至目标压力,超高压泵停止加压,截止阀M1关闭。试验过程中压力变化数值由软件系统自动读取。

试验在常温下进行,调节阀是初次进行加压试验,因此在加压时采用分段加压的方式对调节阀进行加压,首次加压至72 MPa(最大试验压力的20%)。根据超高压调节阀的设计压力,最高加压不能超过360 MPa。超高压调节阀的实验操作流程必须严格规范,否则会由于操作失误造成安全事故。具体操作流程如下:

(1) 检查加压设备的出口与阀门是否正确连接,确保连接螺钉拧紧可靠;

(2) 拧开阀门另一侧堵头螺母待命;

(3) 打开专业试压软件,点击报警指示按钮,确认报警装置正常,再次点击按钮关闭报警;

(4) 点击预压泵按钮,预压泵向阀体内注入机油,待阀门出口的堵头螺母处缓缓流出机油时重新拧紧堵头螺母,此步骤目的为排出阀体内空气,避免干扰;

(5) 旋转旋钮手动关闭泄压阀,根据高压压力表读数旋转调压阀按钮,将压力调节为0.4 MPa;

(6) 在软件界面点击泄压阀按钮打开泄压阀,使阀内压力归零。设置好高压停机压力、目标压力、保压时间、补压压差、失压报警等参数,再次点击泄压阀按钮,关闭泄压阀。点击测试启动按钮,打开相应增压泵,此时试压装置启动,向阀体加压至目标压力,保压一段时间,记录保压前后的压力数值;

(7) 实验完毕,装置自动泄压,压力归零,软件界面记录加压曲线,可下载保存。关闭软件,旋转按钮关闭压力泵,拆除试压管路,试压结束。

由于所测试的调节阀在试验时处于高压状态,为了安全起见,调节阀需要放在一个封闭的空间内,测试数据由传感器传递到电脑屏幕上,通过摄像头可以观察到调节阀的各个视角。调节阀试验时完全在电脑屏幕上操作,操作台上安装了两个屏幕,一个用来观察调节阀位置,另一个是用于操作界面,如图16所示。

▲图16 调节阀测试设备控制界面

3.2 试验结果分析

选择不同的目标压力数值加压,通过压降法得到的试验数据如表3所示。观察表格中的数据可知,保压后测得的两组数据相差不大,在72 MPa时,压力变化基本为零。随着压力的增大,保压后,压力数值发生降低,但根据ANSI/FCI 70-2 CLASS V标准中规定,在测试过程中,保压后,系统的压力变化须小于加载压力的5%,而上表中压力变化率数值最大为2.3%,因此压力数值在允许范围内变化,可以认定该超高压调节阀密封性能良好。根据观察,实验过程中未观察到有液体从阀门流出,实验台干净整洁无液体。综上,超高压调节阀在密封实验过程中未发生泄漏,密封性能良好,满足使用要求。

表3 超高压调节阀压力加载数值记录

4 结论

(1) 超高压调节阀密封结构设计合理,满足生产运行指标,填补了超高压调节阀的国内空白,该阀门可用于石化高压聚乙烯装置,替代超高压调节阀设备进口。

(2) 超高压调节阀阀杆处填料密封结构采用填料密封圈与金属套串联组合结构,形成了新型的多组多重填料密封结构;阀体与阀座处利用阀芯与阀座锥面密封和O形圈密封组合,形成了新型的双重密封结构,这两处密封采用了新型的密封结构,能更好地承受超高压调节阀载荷,防止该调节阀密封泄漏的发生。

(3) 当阀杆处填料压缩量大于5 mm,且阀体与阀座处O形圈以及阀门进出口处透镜垫的密封面发生塑性变形时,能实现该阀门的有效密封。

(4) 对该阀门逐渐加压至360 MPa,然后保压,测试结果未发现阀门泄漏,界面上压力恒定,所研制的超高压调节阀满足工作压力360 MPa要求。