闸阀中腔异常升压的危害与防护

前言

闸阀通常有单闸板、双闸板、楔式、平行式等结构设计，其中楔式双闸板（Z42、Z62 系列）及楔式弹性闸板（Z40、Z60 系列）应用最为广泛，前者关闭时闸板自动吻合两侧阀座，自动补偿楔角的加工位置误差；后者则依靠闸板中部的弹性槽，靠阀杆的轴向推力补偿楔角的加工位置误差，两者均达到较好的密封效果。正是由于其双侧的优良密封，在某些场合会产生中腔压力异常升高现象，即当高温高压流体（液体或气体）被封堵于阀门中腔时，若上游侧（见图 1）流体温度升高，中腔（见图 1）流体会被热传递同步升高，由于中腔休积无法扩大，封堵中腔流体由冷态变为热态时，液体可能迅速汽化，导致压力急剧升高，增高的压力常常是几何级数。

图 1 中腔异常升压说明

阀门超压工作的后果是十分严重的。阀门中腔异常升压时，其承压件及启闭件的工作应力（如阀杆及闸板架的使用应力）均会急剧增加，驱动机构的驱动力会不堪重负，甚至无法启动，严重时阀杆拉断、闸板架断裂、电机烧坏，这些现象在许多高压大口径闸阀中屡见不鲜，不少用户常常抱怨这是闸板“咬死”，其实“咬死”的真实原因常常是中腔的异常升压这一“隐形杀手”。

典型的案例如 Z962Y 系列楔双闸板闸阀运用于火电厂给水系统及其旁路时，这类阀门一般先在冷态作水压试验后关闭，当机组启动时系统温度升高到 250~300℃ 时，由于温度急剧升高，封闭中部的冷态水温会同步急剧升高汽化，使流体体积增大，压力升高，此时若要开启阀门要么驱动力矩足够大，要么阀杆组件强度足够高，否则常常出现阀杆断裂、闸板架断裂、闸板 T 型槽开花、断裂，使给水泵无法启动，导致严重的停炉停机事故。

2 异常升压的危害

异常升压的形成在许多闸阀的应用场合会惊人相似地发生，因为其发生的两大要素在许多工业系统是相似的，即系统介质在开机后，由冷态变热态；闸板在冷态关闭，热态时开启。因而若不对系统采取措施，异常升压对系统的破坏几乎是无法避免的，其有 3 方面危害：

（1）对阀门本身的破坏

阀门壳体、阀盖及阀杆零件的强度一般以阀门的公称压力设计其强度，异常升压时，其开启压力会成倍提高，导致相关零件的使用应力成倍升高，当材料实际应力超过许用应力时，高应力部位会产生断裂破坏，导致阀门无法开启，阀门整机将损坏或报废。

（2）对系统安全的破坏

显而易见，壳体、阀盖等承压件超压时是非常危险的，一旦超压其薄弱部位或许会先发生穿孔，引起介质外漏；其填料及自密封圈部位往往会被高压流体冲出，引起介质大量外漏。当介质是高温气体、有毒气体、有害气体时会更加严重，甚至会造成设备与人员的伤害。

（3）对生产控制流程造成巨大损失

阀门的正常启闭是各类工业流程控制的关键，一旦这种控制无法实现时，系统瘫痪须停机检修，这将会造成巨大的直接或间接损失。

3 防护措施

从设计、安装、调试等方面入手，从根本上消除中腔异常升压是完全有可能的，归纳常用 3 套方案供广大用户参考：

（1）阀门内部开设泄压孔

解决中腔异常升压的根本是平衡中腔压力，开设泄压孔是最经济有效的方案，图 2 所示分别为在上游侧闸板及进口侧阀座外圆开设了泄压孔，当中腔压力升高时，中腔压力会自动向上游侧泄放，始终保持中腔压力与上游侧压力相等，从而避免异常升压的发生。

图 2 阀门内部开设泄压孔

（2）阀门安装外旁路泄压

对已出厂的阀门可采用安装时外旁路及外设泄压阀降低中腔压力，如图 3 所示。

图 3 阀门安装外旁路泄压

采用外设带截止阀的旁路联通中腔与上游侧，当主闸板关闭后截止阀可关闭（视中腔温度变化情况，过高时须开启）。当开启主闸阀时，应先行开启旁路截止阀，降低中腔压力后再启动主闸阀。

（3）阀门外部安装专用泄压阀

图 4 阀门安装专用泄压阀

图 4 所示为在闸阀中腔外设泄压阀控制压力范围，设定泄压阀的排放压力为主阀门的额定工作压力，当中腔超压时，自动排放到设定压力，从而维护主闸阀的安全运行。

图 5 泄压阀的结构设计

图 5 为泄压阀的结构设计图（可供参考）。泄压阀前安装了截止阀，便于泄压阀的调整与检修。泄压阀的压力设定通常可按 1.33PN 考虑（PN 为系统阀门的公称应力）。

除此之外，阀门调试时，尤其是电动阀调试时，应注意关闭行程及力矩的控制，尽可能将关闭力矩调小些，防止楔死闸板；高温阀门应考虑高温状态阀杆热胀引起的闸板楔死，建议高温高压大口径闸阀调试时，闸板到位后适当后退阀杆，避免真正咬死事故的发生。

4 结语

异常超压是双阀座类闸阀的隐形杀手，严重威胁着设备及系统的安全运行，必须引起重视；闸阀，尤其是高温、高压、大口径闸阀设计安装时必须考虑异常超压的发生，并采取必要的预防措施。