朱磊　劉帥

（北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，北京　100166）

摘　要：本文介紹了國(guó)內(nèi)某石化大型RTO熱氧化爐的換向閥改進(jìn)方案,改進(jìn)方案涉及了閥桿及其連接結(jié)構(gòu)、閥板密封結(jié)構(gòu)、閥桿密封結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)三個(gè)方面的內(nèi)容。本次改造提高了閥門的密封性,解決了爐內(nèi)廢氣的內(nèi)漏問題與外漏問題,能夠滿足環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)下的排放要求。改進(jìn)方案能夠給其他類似RTO爐換向閥的改造提供參考。

關(guān)鍵詞：RTO爐；換向閥；密封結(jié)構(gòu)；支撐結(jié)構(gòu)；改進(jìn)

1　概述

近年來，隨著國(guó)家相關(guān)環(huán)保法律、法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，對(duì)工業(yè)廢氣排放的要求越來越高。在國(guó)內(nèi)某大型石化項(xiàng)目中，一套由XX公司提供的三室RTO焚燒裝置因所處理廢氣的組成、工藝條件與原始設(shè)計(jì)相比發(fā)生變化，加之設(shè)備設(shè)計(jì)理念陳舊，無法滿足排放新標(biāo)準(zhǔn)，亟需進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

三室RTO爐共有6個(gè)換向閥，在爐底兩兩成對(duì)，分組布置。每組換向閥分為一個(gè)高溫側(cè)換向閥與一個(gè)低溫側(cè)換向閥，分別控制三個(gè)燃燒室的進(jìn)氣口與排氣口的開閉。三組換向閥與RTO爐三個(gè)蓄熱室對(duì)應(yīng)，通過一定的順序打開、關(guān)閉，引導(dǎo)煙氣通過蓄熱室、燃燒室，Z終排放到大氣中。工作時(shí)RTO爐內(nèi)呈微負(fù)壓狀態(tài)。高溫側(cè)換向閥的外側(cè)與煙氣出口管道連通，區(qū)域溫度Z高達(dá)300℃；低溫側(cè)換向閥的外側(cè)與煙氣進(jìn)口管道連通，區(qū)域溫度Z高達(dá)200℃。爐內(nèi)廢氣具有一定的腐蝕性。裝置運(yùn)行時(shí)，換向閥每半分鐘開閉一次，動(dòng)作頻繁。

換向閥的平面閥板與密封端面通過直接接觸實(shí)現(xiàn)密封。閥板閉合后，因加工、裝配精度低導(dǎo)致密封不嚴(yán)，廢氣在壓力作用下流動(dòng)，在閥板處形成少許內(nèi)漏，不通過蓄熱體及爐膛焚燒直接排放。同時(shí)，閥桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中對(duì)密封填料造成磨損，使廢氣通過填料直接泄漏到大氣中，發(fā)生外漏。另外，換向閥內(nèi)部存在高溫?zé)煔?，?jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，原閥桿與閥板均存在不同程度的腐蝕損壞。由于原換向閥設(shè)計(jì)存在上述問題，加之在排放指標(biāo)、環(huán)保指標(biāo)更為嚴(yán)格的情況下，即使少量的泄漏也會(huì)對(duì)排放指標(biāo)產(chǎn)生很大的影響，因此需要通過改造提高閥門的密封性、耐蝕性和耐用度，使裝置能夠滿足現(xiàn)有工況條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，并且使排放的廢氣滿足《GB31571-2015 石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的排放指標(biāo)。

2　換向閥的結(jié)構(gòu)問題及改進(jìn)方案

根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行后裝置換向閥出現(xiàn)的泄露、損壞等問題，結(jié)合故障點(diǎn)的出現(xiàn)位置，可以從以下三個(gè)方面對(duì)換向閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并考慮改進(jìn)辦法：

①閥桿材料及其連接結(jié)構(gòu)換向閥的主要?jiǎng)蛹情y桿和圓形閥板，因閥門動(dòng)作頻繁，密封結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)負(fù)荷較大。加之爐中廢氣溫度較高且有較強(qiáng)的腐蝕性，裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，閥桿與閥板均發(fā)生了一定的磨損與破壞，如圖1所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、檢查發(fā)現(xiàn)，閥板與密封面之間存在一定程度的平行度偏差。因此，應(yīng)對(duì)閥板與閥桿采取降低重量、更換材料、增加錯(cuò)動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等措施使動(dòng)件擁有更長(zhǎng)的使用壽命和更好的密封效果。

②閥板密封結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)中，圓形閥板僅通過與密封面接觸時(shí)自身發(fā)生形變來進(jìn)行密封，結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于加工精度無法保證，以及長(zhǎng)期運(yùn)行帶來的支撐結(jié)構(gòu)磨損，圓形閥板與密封面無法在圓周上所有的位置都能緊密接觸。因此，需要對(duì)閥板密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，來保證長(zhǎng)期運(yùn)行中閥板密封的可靠性。

③閥桿密封結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)中，閥桿的密封組件采用的是填料式密封，由于換向閥的動(dòng)作頻率非常高（每30s動(dòng)作1次）使得此處密封填料的損耗非常快，如圖3所示。閥桿的支撐結(jié)構(gòu)是在內(nèi)外兩側(cè)對(duì)稱布置的由三個(gè)橡膠輪組成的支撐軸承，如圖4所示。拆除支撐軸承后，發(fā)現(xiàn)滑輪表面包膠因長(zhǎng)期使用表面已發(fā)生永久變形；滑輪的轉(zhuǎn)軸因長(zhǎng)期與軸套干磨，已嚴(yán)重磨損；部分滑輪已無法正常轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，支撐軸承雖然有一定的調(diào)心功能，但當(dāng)閥桿兩端同時(shí)采用此結(jié)構(gòu)時(shí)，很難保證閥桿與密封函的同心度，從而加劇了填料的磨損。填料磨損后，廢氣在此處發(fā)生泄漏。因此，需要對(duì)閥桿的密封結(jié)構(gòu)與支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好的閥桿密封效果與更長(zhǎng)的使用壽命。

下面分別對(duì)以上三個(gè)方面的改進(jìn)辦法與實(shí)施情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 閥桿及其連接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

原換向閥中，閥桿為直徑60mm的實(shí)心桿，材質(zhì)為碳鋼Q235A，閥板為直徑1300mm，厚2mm的圓形板，材質(zhì)同為碳鋼Q235A。在運(yùn)行一段時(shí)間后，閥桿與閥板表面均出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕與磨損?？紤]到長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的設(shè)備工況，需要同時(shí)滿足力學(xué)性能、表面硬度、耐腐蝕性三方面要求，因此理想的替代材料有調(diào)制鋼40Cr與316不銹鋼，使用性能見表1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的使用經(jīng)驗(yàn)，全新更換的Q235A閥桿使用一周左右就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的銹蝕，因此將耐蝕性作為閥桿設(shè)計(jì)考慮的Z關(guān)鍵指標(biāo)。出于減少閥桿支撐軸承負(fù)荷及增加閥桿耐腐蝕性的目的，選用直徑63mm，厚10mm的316不銹鋼鋼管作為替代閥桿材料。經(jīng)計(jì)算，空心閥桿與實(shí)心閥桿相比，強(qiáng)度基本保持不變，而重量降低了 30%。閥板的材料也選用316不銹鋼，直徑不變，厚度增加到 4mm。增加厚度的閥板在密封過程中無需再發(fā)生形變。

在原設(shè)計(jì)中，氣缸活塞桿與閥桿之間由一個(gè)帶有一定間隙的過渡頭進(jìn)行連接，這個(gè)過渡頭與閥桿連接頭之間的間隙能夠在一定程度上補(bǔ)償活塞桿與閥桿之間的偏心量。但在安裝過程中，由于兩端的閥桿支撐軸承的高度都是可調(diào)的，這使得氣缸活塞桿與閥桿之間的同心度難以控制，同時(shí)閥桿自身的磨損與閥桿支撐軸承的磨損會(huì)導(dǎo)致活塞桿與閥桿的同心度偏差進(jìn)一步加大。此時(shí)，僅靠過渡頭的間隙無法對(duì)兩桿的偏心量進(jìn)行補(bǔ)償。改進(jìn)的辦法是在過渡頭與活塞桿之間增加了一個(gè)浮動(dòng)接頭。浮動(dòng)接頭允許兩側(cè)連接桿發(fā)生偏心滑動(dòng)和球面滑動(dòng)，它能夠?qū)钊麠U與閥桿之間的偏心量進(jìn)一步進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 閥板密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

如前文所述，原換向閥閥板的密封是通過具有一定彈性變形能力的閥板及與圓筒狀密封面接觸的方式來實(shí)現(xiàn)的。而在運(yùn)行過程中，由于安裝精度難以保證以及閥桿支撐軸承磨損等原因，閥板與密封面很難保證平行，從而緊密貼合，廢氣會(huì)從閥板與密封面的縫隙處發(fā)生泄漏；同時(shí)，由于加工精度及閥板材料、厚度等原因，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)閥板出現(xiàn)了疲勞應(yīng)力腐蝕，發(fā)生斷裂。

為了避免上述問題，改進(jìn)后的閥板密封結(jié)構(gòu)在密封面上加工兩道密封槽，選用適當(dāng)?shù)膹椥泽w材料作為密封體；同時(shí)，加厚的閥板不再發(fā)生形變，密封過程中彈性密封體發(fā)生形變形成密封。利用密封體的回彈性補(bǔ)償閥板與密封面之間的平行度偏差。同時(shí)，利用兩道密封體形成迷宮密封結(jié)構(gòu)，阻止氣體泄漏。

換向閥高溫側(cè)的環(huán)境溫度Z高可達(dá)到300℃，因此要求密封體材料在高溫下具有良好的物理、化學(xué)特性穩(wěn)定性。表2中列舉了幾種合適的密封體材料的重要的特性。從表中可以看出，全氟醚橡膠的耐溫性Z好，回彈率較高，但其價(jià)格昂貴，不適合大量使用。膨體四氟板與氟橡膠板的回彈率好，耐溫性較差，不能長(zhǎng)期使用。綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，Z終選擇膨脹石墨板作為密封體材料。膨脹石墨的耐溫性出色，同時(shí)兼具較好的回彈性，適用于目的工況。但膨脹石墨材質(zhì)較脆，制成密封條時(shí)需采用分段拼接的方式塞入密封溝槽中，這些接縫存在泄漏隱患。解決方法是用耐550℃的高溫密封膠填充間隙。

2.3 閥桿密封結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

原閥桿密封結(jié)構(gòu)采用填料密封，隨著閥桿頻繁往復(fù)運(yùn)行，填料很快被磨損。改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)密封函內(nèi)從連接法蘭處被分開成兩個(gè)腔。外腔由內(nèi)向外依次放置氣封環(huán)、定位套與 Y 型密封環(huán)；內(nèi)腔由內(nèi)向外依次放置 Y 型密封環(huán)，自潤(rùn)滑軸承。密封函加工時(shí)采用一次裝卡，保證內(nèi)外腔壁的同心度。結(jié)構(gòu)中，Y 型密封環(huán)能夠有效阻隔灰塵及油污進(jìn)入密封函；定位套和自潤(rùn)滑軸承能夠保證閥桿與氣封環(huán)之間的同心度，并取代之前結(jié)構(gòu)中的一組閥桿支撐軸承，起到支撐閥桿的作用。氣封環(huán)內(nèi)有數(shù)個(gè)2mm寬的環(huán)形間隙與12個(gè)2mm 直徑的進(jìn)氣孔，壓縮空氣通過進(jìn)氣孔進(jìn)入氣封環(huán)，在間隙處形成渦流，阻止內(nèi)部氣體外泄，起到密封的效果。

改進(jìn)后的閥桿支撐軸承基本結(jié)構(gòu)保持不變，但針對(duì)原軸承出現(xiàn)的使用問題做如下調(diào)整：

①將原結(jié)構(gòu)中的橡膠輪改為40Cr材質(zhì)的鋼輪，避免長(zhǎng)期運(yùn)行后滑輪本身發(fā)生變形，提高滑輪在高溫?zé)煔鈼l件下的耐用性和耐腐蝕性；

②增加下部?jī)蓚€(gè)滑輪的寬度，增大滑輪與閥桿的接觸面積，降低滑輪與閥桿之間接觸處的壓強(qiáng)；

③在每個(gè)滑輪內(nèi)部增加一對(duì)自潤(rùn)滑軸承，使滑輪的滑動(dòng)更加順滑，延長(zhǎng)滑輪的使用壽命。 

3　結(jié)論

改進(jìn)后的換向閥經(jīng)半年連續(xù)運(yùn)行，廢氣再無泄漏。設(shè)備能夠滿足新標(biāo)準(zhǔn)中的排放要求，達(dá)到了預(yù)期的改進(jìn)目的。具體效果總結(jié)如下：

①更換后的316不銹鋼閥桿與閥板能夠有效抵抗腐蝕并降低閥桿支撐負(fù)荷，減少磨損，具有更長(zhǎng)的使用壽命；改進(jìn)后的閥桿連接結(jié)構(gòu)能夠補(bǔ)償運(yùn)行過程中閥桿與活塞桿的同心度偏差，延長(zhǎng)密封結(jié)構(gòu)的使用壽命。

②作為閥板密封體材料，膨脹石墨在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性和良好的回彈率。改進(jìn)后的閥板密封結(jié)構(gòu)能夠避免閥板由于反復(fù)形變而損壞，具有更長(zhǎng)的使用壽命；由膨脹石墨構(gòu)成的兩道迷宮密封結(jié)構(gòu)能夠有效阻止高溫廢氣內(nèi)漏。

③改進(jìn)后的閥桿密封結(jié)構(gòu)能夠有效阻隔灰塵；有效阻止廢氣外漏，并對(duì)閥桿提供穩(wěn)固支撐。改進(jìn)后的閥桿支撐軸承運(yùn)轉(zhuǎn)更加順滑，使用壽命大大增加。

④改進(jìn)提高了換向閥的密封性；提高了換向閥運(yùn)行時(shí)的平順性與可靠性；延長(zhǎng)了換向閥的使用壽命。該改造方案能夠普遍應(yīng)用在類似結(jié)構(gòu)的RTO爐及其他高溫?zé)煔猸h(huán)境下具有相似結(jié)構(gòu)的閥門中。

來源：《內(nèi)燃機(jī)與配件》2018年第8期