朱磊　劉帥

（北京航化節能環保技術有限公司，北京　100166）

摘　要：本文介紹了國內某石化大型RTO熱氧化爐的換向閥改進方案,改進方案涉及了閥桿及其連接結構、閥板密封結構、閥桿密封結構及支撐結構三個方面的內容。本次改造提高了閥門的密封性,解決了爐內廢氣的內漏問題與外漏問題,能夠滿足環保新標準下的排放要求。改進方案能夠給其他類似RTO爐換向閥的改造提供參考。

關鍵詞：RTO爐；換向閥；密封結構；支撐結構；改進

1　概述

近年來，隨著國家相關環保法律、法規及標準的日益嚴格，對工業廢氣排放的要求越來越高。在國內某大型石化項目中，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、工藝條件與原始設計相比發生變化，加之設備設計理念陳舊，無法滿足排放新標準，亟需進行結構改進。

三室RTO爐共有6個換向閥，在爐底兩兩成對，分組布置。每組換向閥分為一個高溫側換向閥與一個低溫側換向閥，分別控制三個燃燒室的進氣口與排氣口的開閉。三組換向閥與RTO爐三個蓄熱室對應，通過一定的順序打開、關閉，引導煙氣通過蓄熱室、燃燒室，Z終排放到大氣中。工作時RTO爐內呈微負壓狀態。高溫側換向閥的外側與煙氣出口管道連通，區域溫度Z高達300℃；低溫側換向閥的外側與煙氣進口管道連通，區域溫度Z高達200℃。爐內廢氣具有一定的腐蝕性。裝置運行時，換向閥每半分鐘開閉一次，動作頻繁。

換向閥的平面閥板與密封端面通過直接接觸實現密封。閥板閉合后，因加工、裝配精度低導致密封不嚴，廢氣在壓力作用下流動，在閥板處形成少許內漏，不通過蓄熱體及爐膛焚燒直接排放。同時，閥桿在往復運動中對密封填料造成磨損，使廢氣通過填料直接泄漏到大氣中，發生外漏。另外，換向閥內部存在高溫煙氣，經長期運行后，原閥桿與閥板均存在不同程度的腐蝕損壞。由于原換向閥設計存在上述問題，加之在排放指標、環保指標更為嚴格的情況下，即使少量的泄漏也會對排放指標產生很大的影響，因此需要通過改造提高閥門的密封性、耐蝕性和耐用度，使裝置能夠滿足現有工況條件下長期穩定運行的要求，并且使排放的廢氣滿足《GB31571-2015 石油化學工業污染物排放標準》的排放指標。

2　換向閥的結構問題及改進方案

根據長期運行后裝置換向閥出現的泄露、損壞等問題，結合故障點的出現位置，可以從以下三個方面對換向閥的結構進行分析，并考慮改進辦法：

①閥桿材料及其連接結構換向閥的主要動件是閥桿和圓形閥板，因閥門動作頻繁，密封結構及支撐結構負荷較大。加之爐中廢氣溫度較高且有較強的腐蝕性，裝置運行一段時間后，閥桿與閥板均發生了一定的磨損與破壞，如圖1所示。經現場測量、檢查發現，閥板與密封面之間存在一定程度的平行度偏差。因此，應對閥板與閥桿采取降低重量、更換材料、增加錯動補償機構等措施使動件擁有更長的使用壽命和更好的密封效果。

②閥板密封結構原設計中，圓形閥板僅通過與密封面接觸時自身發生形變來進行密封，結構如圖2所示。由于加工精度無法保證，以及長期運行帶來的支撐結構磨損，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，需要對閥板密封結構進行重新設計，來保證長期運行中閥板密封的可靠性。

③閥桿密封結構及支撐結構原設計中，閥桿的密封組件采用的是填料式密封，由于換向閥的動作頻率非常高（每30s動作1次）使得此處密封填料的損耗非常快，如圖3所示。閥桿的支撐結構是在內外兩側對稱布置的由三個橡膠輪組成的支撐軸承，如圖4所示。拆除支撐軸承后，發現滑輪表面包膠因長期使用表面已發生永久變形；滑輪的轉軸因長期與軸套干磨，已嚴重磨損；部分滑輪已無法正常轉動。此外，經檢查發現，支撐軸承雖然有一定的調心功能，但當閥桿兩端同時采用此結構時，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，廢氣在此處發生泄漏。因此，需要對閥桿的密封結構與支撐機構進行重新設計，以達到更好的閥桿密封效果與更長的使用壽命。

下面分別對以上三個方面的改進辦法與實施情況進行詳細介紹。

2.1 閥桿及其連接結構的改進

原換向閥中，閥桿為直徑60mm的實心桿，材質為碳鋼Q235A，閥板為直徑1300mm，厚2mm的圓形板，材質同為碳鋼Q235A。在運行一段時間后，閥桿與閥板表面均出現了嚴重的腐蝕與磨損。考慮到長期運行時的設備工況，需要同時滿足力學性能、表面硬度、耐腐蝕性三方面要求，因此理想的替代材料有調制鋼40Cr與316不銹鋼，使用性能見表1。

根據現場的使用經驗，全新更換的Q235A閥桿使用一周左右就會產生嚴重的銹蝕，因此將耐蝕性作為閥桿設計考慮的Z關鍵指標。出于減少閥桿支撐軸承負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。經計算，空心閥桿與實心閥桿相比，強度基本保持不變，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生形變。

在原設計中，氣缸活塞桿與閥桿之間由一個帶有一定間隙的過渡頭進行連接，這個過渡頭與閥桿連接頭之間的間隙能夠在一定程度上補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的，這使得氣缸活塞桿與閥桿之間的同心度難以控制，同時閥桿自身的磨損與閥桿支撐軸承的磨損會導致活塞桿與閥桿的同心度偏差進一步加大。此時，僅靠過渡頭的間隙無法對兩桿的偏心量進行補償。改進的辦法是在過渡頭與活塞桿之間增加了一個浮動接頭。浮動接頭允許兩側連接桿發生偏心滑動和球面滑動，它能夠對活塞桿與閥桿之間的偏心量進一步進行補償。

2.2 閥板密封結構的改進

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現的。而在運行過程中，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，廢氣會從閥板與密封面的縫隙處發生泄漏；同時，由于加工精度及閥板材料、厚度等原因，長期運行時閥板出現了疲勞應力腐蝕，發生斷裂。

為了避免上述問題，改進后的閥板密封結構在密封面上加工兩道密封槽，選用適當的彈性體材料作為密封體；同時，加厚的閥板不再發生形變，密封過程中彈性密封體發生形變形成密封。利用密封體的回彈性補償閥板與密封面之間的平行度偏差。同時，利用兩道密封體形成迷宮密封結構，阻止氣體泄漏。

換向閥高溫側的環境溫度Z高可達到300℃，因此要求密封體材料在高溫下具有良好的物理、化學特性穩定性。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，不能長期使用。綜合考慮各項指標，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，同時兼具較好的回彈性，適用于目的工況。但膨脹石墨材質較脆，制成密封條時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 閥桿密封結構及支撐結構的改進

原閥桿密封結構采用填料密封，隨著閥桿頻繁往復運行，填料很快被磨損。改進后的密封結構密封函內從連接法蘭處被分開成兩個腔。外腔由內向外依次放置氣封環、定位套與 Y 型密封環；內腔由內向外依次放置 Y 型密封環，自潤滑軸承。密封函加工時采用一次裝卡，保證內外腔壁的同心度。結構中，Y 型密封環能夠有效阻隔灰塵及油污進入密封函；定位套和自潤滑軸承能夠保證閥桿與氣封環之間的同心度，并取代之前結構中的一組閥桿支撐軸承，起到支撐閥桿的作用。氣封環內有數個2mm寬的環形間隙與12個2mm 直徑的進氣孔，壓縮空氣通過進氣孔進入氣封環，在間隙處形成渦流，阻止內部氣體外泄，起到密封的效果。

改進后的閥桿支撐軸承基本結構保持不變，但針對原軸承出現的使用問題做如下調整：

①將原結構中的橡膠輪改為40Cr材質的鋼輪，避免長期運行后滑輪本身發生變形，提高滑輪在高溫煙氣條件下的耐用性和耐腐蝕性；

②增加下部兩個滑輪的寬度，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；

③在每個滑輪內部增加一對自潤滑軸承，使滑輪的滑動更加順滑，延長滑輪的使用壽命。 

3　結論

改進后的換向閥經半年連續運行，廢氣再無泄漏。設備能夠滿足新標準中的排放要求，達到了預期的改進目的。具體效果總結如下：

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荷，減少磨損，具有更長的使用壽命；改進后的閥桿連接結構能夠補償運行過程中閥桿與活塞桿的同心度偏差，延長密封結構的使用壽命。

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定性和良好的回彈率。改進后的閥板密封結構能夠避免閥板由于反復形變而損壞，具有更長的使用壽命；由膨脹石墨構成的兩道迷宮密封結構能夠有效阻止高溫廢氣內漏。

③改進后的閥桿密封結構能夠有效阻隔灰塵；有效阻止廢氣外漏，并對閥桿提供穩固支撐。改進后的閥桿支撐軸承運轉更加順滑，使用壽命大大增加。

④改進提高了換向閥的密封性；提高了換向閥運行時的平順性與可靠性；延長了換向閥的使用壽命。該改造方案能夠普遍應用在類似結構的RTO爐及其他高溫煙氣環境下具有相似結構的閥門中。

來源：《內燃機與配件》2018年第8期