关于汽提塔出口液位调节阀填料密封失效的改进研究

毛大军，陈松华

(1.呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021506；2.中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

尿素装置有近百台仪表调节阀，涉及到的介质有循环水、蒸汽、工艺冷凝液、二氧化碳、空气、液氨、甲铵、尿液等。腐蚀性大、易结晶是尿素装置的主要特点，每台调节阀根据工艺介质、温度、压力的不同，加之各个调节阀制造厂家设计标准不一致，其阀杆密封填料设计也有所不同。

调节阀是化工生产装置上的重要单元，在自动控制系统中担任着重要的任务。调节阀由执行机构和阀体部件组成，通过控制阀门开度的大小，实现介质流量、压力和液位等参数的调节。调节阀分电动、气动、液动三种。调节阀不允许有外漏现象，而外漏的主要途径之一是介质从阀杆处泄漏，为防止这种情况的发生，通常在阀杆处采用填料密封。本文结合实际工况，主要针对尿素装置控制汽提塔液位的气动调节阀多次出现填料密封失效的问题，提出改进措施。

该阀仪表位号是LV2102，由荷兰斯塔米卡邦(Stamicarbon)公司成套供货，双膜头执行机构，不能在线更换填料，只能解体后更换填料。调节阀LV2102在运行不到一个月的时间就出现了填料密封失效的问题，且经紧固填料螺母后问题依然存在。

1 调节阀的结构特点

1.1 调节阀的组成

LV2102调节阀是气开阀，执行机构附件主要由手轮、空气过滤减压阀、电磁阀、阀门定位器、气动放大器等组成。气源发生故障时，可用手轮将阀门开到一定的开度，电磁阀主要用于联锁保护，气动放大器使执行机构快速响应，阀门定位器使阀位能够按控制器输出的信号进行精确定位。阀体部件主要由阀腔、阀芯、阀杆、填料函体等组成，调节阀结构示意见图1。

图1 调节阀结构示意

1.2 填料函体的结构

该阀的阀体部件结构特殊，阀座与阀腔为一体，上阀盖由填料函体和独立法兰组成。独立法兰的作用是将填料函体和阀体紧密连接，防止高压介质从上阀盖喷出。填料函体的填料密封结构示意见图2。

图2 填料密封结构示意

根据填料密封结构示意图可知，填料在压盖的压力作用下，经轴套产生一定的径向力，使其紧密与阀杆和阀盖接触，从而防止介质外漏。径向压力的计算式为：

式中：Pr为填料径向压力，MPa；P0为填料压盖处轴向压力，MPa；k为填料的应力系数；d1为阀杆直径，mm；d0为填料函孔径，mm；S为填料深度，mm；u1为填料与阀杆间的动摩擦因数；u2为填料与填料函间的静摩擦因数。

填料的应力系数k取决于轴向压力，是确定填料高度的一个重要因素。根据填料密封结构示意图及径向压力的计算式可知，填料最大径向压力Prmax在填料与压盖接触处(不考虑轴套与压盖、阀杆间的摩擦)，随着填料高度的增加，径向压力Pr按指数规律降低，所以最小径向应力Prmin在填料与垫片接触处。

2 影响填料密封失效的因素

2.1 调节阀动作频繁

调节阀在自动控制模式下时，会出现液位变送器指示波动较大、PID参数设置不合适、调节阀定位器动作不灵敏等问题，将导致阀门波动厉害，阀杆动作频繁。调节阀在运行一段时间后，填料会有一定程度的磨损，阀杆与填料处的间隙增大，导致介质从填料处泄漏。

2.2 填料的选用、设计不合理

当调节阀填料的选用、设计不合理时(比如安装不到位、填料选用错误、未考虑介质的特性和使用工况等因素),将导致填料密封不严而出现泄漏。

2.3 阀杆处有划痕

在调节阀运行过程中，介质内有固体颗粒(比如微小金属颗粒)，或是在初始装配时，阀杆、填料中有杂质，当调节阀运行一段时间后，将导致阀杆磨损、填料损坏，阀杆与填料处出现泄漏。

3 原因分析

LV2102作为汽提塔的液位控制阀，从合成塔R201来的尿液进入汽提塔E201顶部，经汽提塔内的液体分配器将尿液均匀地分配到每一根列管中，并以液膜状态沿壁往下降，为防止CO2气体串流到循环系统，在汽提塔底部保持20%～40%的液位，液位由LV2102控制，调节阀的工艺参数见表1。

表1 LV2102调节阀工艺参数

经检查确认，调节阀动作平稳，顺畅。汽提塔液位测量采用雷达液位计，实际测量范围1.866～0.766m，即液位高度1.1m，汽提塔直径2.82m，所以液位变化较快，控制要求较高，生产过程中，汽提塔的液位一直处于自动控制模式，阀杆动作比较频繁。3台气化炉运行时，阀门开度在20%～30%之间，填料磨损较快。

填料处出现介质泄漏后，对填料压盖进行了紧固加压，但效果并不明显。解体调节阀，对填料进行了检查，发现密封填料为四氟盘根，盘根接头切口角度为45°，各层接头均错开180°，原始填料结构见图3。

图3 调节阀原始填料结构

尿素分子式 CH4ON2为无色结晶或白色结晶性粉末，易溶于水。当温度大于60℃时，尿素在酸性、碱性、中性溶液中易发生水解，水解的速度和程度都随温度的升高而增大，腐蚀性强。尿素的主要反应方程式如下：

2NH3(液)+CO2(气)=NH4COONH2(液)

NH4COONH2= CO( NH2)2(液)+H2O

结合尿素介质的特性，正确选用填料材质非常关键。石墨虽有很好的耐磨性和自润滑性，耐高温和低温，适用温度-200℃～1600℃，但工艺介质中含有强腐蚀性的尿液、甲铵等，石墨填料容易污染介质，且不适用于高浓度、强氧化性介质的工况，易出现腐蚀失效。

聚四氟乙烯填料润滑性好，具有较高的耐磨性，抗化学腐蚀性能好，不黏附性好，有较低的摩擦系数和较宽的工作温度范围，可用于各种酸碱等腐蚀性介质的工况，适用温度-40℃～230℃。

对填料的选用要求是要有一定的塑性，在轴向压力的作用下能产生一定的径向压力，要有抵抗温度变化、抗蠕变、抗松弛等能力。此外，还要有足够的化学稳定性和抗氧化能力，不污染介质，不被介质泡涨，不腐蚀阀杆，摩擦因数小，且在阀杆有少量偏心时，填料应有足够的浮动弹性。根据尿液的化学特性，首先考虑的是腐蚀性，选用聚四氟乙烯填料最为合适。该材质润滑性好，抗化学腐蚀性能好，有较低的摩擦系数，而且使用的温度范围也满足要求。但四氟盘根填料的自密封性不强，仅靠压盖的轴向力使填料产生径向压力，而且装置开停车频繁，工艺管线内的温度、压力变化较快，四氟盘根填料使用一段时间后，填料与阀杆处的间隙就会增大，加之每一层四氟盘根都有切口，介质很有可能从各层填料的切口处流出，导致介质从填料处泄漏。因此，对聚四氟乙烯填料的结构形式进行了重新设计。

5 处理措施

5.1 填料的设计

聚四氟乙烯填料满足工艺要求，选好填料材质后，关键是对填料密封的结构形式进行设计，扁平结构的四氟盘根填料见图4，根据径向压力的计算式(1)可知，随着填料高度的增加，径向压力Pr呈指数规律降低，而且四氟盘根填料向两侧的延展性弱，变形量小，四氟盘根填料与阀杆及填料函内壁的密封效果较差。

图4 扁平状四氟盘根填料结构

为了使聚四氟乙烯填料起到良好的密封效果，将填料设计成V型环状(见图5)。

图5 V型环状四氟填料结构

图5从下至上依次为底座填料、中间层填料、顶部填料。底座填料的唇部角度61.80°，而与之相邻的中间层填料的唇部角度为58.50°，当中间层填料与底部填料接触时，由于中间层填料的唇部角度小于底部填料的唇部角度，且各填料的顶角相同(都是123.60°)，因此，在V型填料的唇尖部会向两侧产生一定的变形量，这种变形只发生在唇的尖部，在填料函内壁及阀杆处形成接触压力。假如此时不施加压力，唇部仍能封住一定内压，当唇尖在内压的作用下向阀杆和填料函内壁挤压，形成了较高的接触压力时，介质便难以通过，即使通过了第一个填料，内压损失也会很大，在通过第二、三个填料时，内压损失更大。V型填料安装的开口方向取决于设备内的压力条件，当设备内属于负压时，V型填料的开口朝上；当设备内属于正压时，V型填料的开口朝下，便于更好地密封，这就是V型填料的自密封作用。

5.2 填料的制作

根据填料函体内径及阀杆直径的实际测量，找到合适的四氟棒材。根据测量得知：填料函体内径为55.04mm，阀杆直径为39.84mm。填料内径大、外径小，起不到良好的密封效果，如果填料内径过小、外径过大，将面临安装困难的问题，而且还有可能出现损坏填料、填料安装不到位、加大执行机构的推力等问题，填料内径应该比阀杆直径略小，外径应该比填料函内径略大，这样才能起到良好的密封效果。因此，实际加工的V型填料环内径为39.80mm，外径为55.08mm，V型环状四氟填料加工尺寸见图6。

图6 V型环状四氟填料加工尺寸

5.3 填料的安装

制作加工完成后，每加工一批填料都要进行试装，避免因加工时产生的误差而导致填料不能满足要求，加工成形的V型环状四氟填料见图7。该阀填料的安装要求高，必须确保每一个填料安装到位，因此，安装填料前先准备好一根合适的镀锌管，并保证内外表面都不能有毛刺，避免划伤阀杆或填料腔室。记录好填料腔室的总高度、螺纹填料压盖的长度、单个填料及多个填料的高度，可单个填料添加，也可将3～5个一起添加。安装时先放底座填料(图7左下第一个填料环)，再放其余开口朝下的填料(图7除第一列以外的所有填料环)，每加一组填料都要检查确认是否到位，必须保证填料到位后方可添加下一组填料，最后一个填料为顶部填料(图7左上第一个填料环)。填料的高度加至能安装上导向套，金属轴套后，螺纹填料压盖还能进入总螺纹深度的四分之一。

图7 加工成形的V型环状四氟填料

6 结语

在很多时候，施工人员对调节阀填料的外漏现象并未引起重视，但实际上，填料处介质外漏是非常危险的，轻则引起系统停车(比如高温、高压的介质环境、蒸汽、合成高压系统氨、甲铵、尿液等)，重则造成设备损坏、人员伤亡(比如有毒、可燃气体外漏引起爆炸或人员窒息等)，将给公司带来不可估量的损失。

根椐不同工况，选择合适的填料材料，合理设计填料的结构及尺寸，严格把控好填料的安装要求，才能起到良好的密封效果，确保阀门长期、安全、稳定地运行。

经重新设计加工的V型环状四氟填料，从2014年5月投用至今，填料的密封效果仍处于良好状态，这对其他类似工况阀门的填料密封处理有很好的借鉴意义。