阀门齿轮箱维护研究

    0 引言

    阀门是川气东送管道系统中的重要组成部分，其中球阀应用广泛。球阀结构简单，启闭迅速，流体阻力小，可靠性高。但是，阀门密封损伤泄漏的情况也时有发生，这不仅会对企业造成巨大的经济损失，同时还可能严重影响管道的安全运行。一般而言，阀门密封是指阀门各密封部位阻止介质泄漏的能力，阀门的主要密封部位有：启闭件与阀座间的吻合面、填料与阀杆和填料函的配合处、阀体与阀盖的连接处。第一处的泄漏叫内漏，它直接影响阀门截断介质的能力和设备的正常运行。后两处的泄漏叫外漏，即介质从阀内泄漏到阀外，对于高压、易燃易爆的天然气介质，它直接影响安全生产，造成天然气泄漏损失和企业经济损失、环境污染，严重时会造成生产事故。因此，天然气阀门的外漏是不允许的，国内外已普遍重视阀门密封性能，但对阀门齿轮箱的密封有所忽视。文中在介绍天然气管道球阀基本结构的基础上，着重分析川气东送管道上使用的兰州高压阀齿轮箱进水的密封缺陷，并对此进行了探讨和分析。

    1 管道球阀的基本组成

    天然气管道用球阀主要由阀体、阀座、球体、阀杆及传动装置组成。球阀的主要功能是接通和切断管道中的流体，球阀是通过传动装置让球体旋转来实现开、关功能的。

    2 齿轮箱积液问题及解决方法

    2.1 齿轮箱积液问题

    齿轮箱积液是阀门齿轮箱的密封不良导致。雨季水汽进入尤为严重，会使齿轮箱中油品失效，腐蚀传动齿轮组合及轴承组合，严重时会出现卡死而无法操作，冬季积水冰冻可直接致使无法传动，因此需进行结构密封设计或采取相关维护措施。

    川气东送管线上常用的兰州高压球阀DN300×250（图1）主要密封点有（自左向右）：阀位指示片与齿轮轴端结合面；齿轮箱盖与齿轮轴结合面；齿轮箱盖上的螺钉孔；齿轮箱盖与齿轮箱结合面。以上密封点都只是直接接触密封而未采取任何防尘防水密封措施。

图1 兰高阀齿轮箱

    2.2 密封的概念

    密封的作用就是将接合面间的间隙封住，隔离或切断泄漏通道，增加泄漏通道中的阻力，或者在通道中加设小型作功元件，对泄漏物施加压力，与引起泄漏的压差部分抵消或完全平衡，以阻止泄漏。

    按密封件与其作用相对运动的零部件是否接触，可以分为接触式密封和非接触式密封。接触式密封的密封性好，但受摩擦磨损限制，适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性较差，适用于较高速度的场合。

    对密封的基本要求是密封性好，安全可靠，寿命长，并应力求结构紧凑，系统简单，制造维修方便，成本低廉。大多数密封件是易损件，应保证互换性，实现标准化、系列化。

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    2.3 齿轮箱密封强化

    基于阀门驱动齿轮箱密封点的特征，一般采用接触式密封中的胶密封和液压橡胶密封件密封。图2为密封件装配图。

图2 密封件装配图

    对于兰州高压球阀DN300×250，设计加装以下配件：1个Φ340×290×2的橡胶垫片（图2中2）、1个Φ128×65×2的橡胶垫片（图2中7）、8个Φ16×12×1的橡胶垫片（图2中4）、1个Φ136×8的O型圈及1个Φ144×128×4的“三角形”树脂挡圈；再辅以胶密封或黄油。

    采用橡胶或密封衬垫密封时，箱体内压p与密封面压σ（一般由螺栓预紧力提供）的关系是：p≤σ.但密封面压必须连续分布在密封部分，即形成密封带。密封带的形成主要取决于以下3个因素：耦合面的刚性、螺栓的分布以及螺栓预紧力和预紧顺序。驱动齿轮箱常常受到质量的限制，箱体的整体刚性较小，为保证密封带的形成，一般采用加大密封面的局部刚度和增加螺栓数量的措施；密封面上的螺栓和定位销孔口应倒角，以免在孔口出现高应力区。在预紧螺栓时，要尽量将误差消除在2个螺栓之间，以免出现误差积累效应，使密封面压严重不均而产生泄漏，即装配时除合箱螺栓应首先预紧靠近轴承座的螺栓外，其余螺栓均应按对称预紧的原则进行预紧。

    2.4 密封件的性能与维护

    橡胶密封件是机械产品的基础元件，利用密封件可防止液体泄漏，防止空气和污染物进入系统和元件内部造成液污染，以提高产品效率与性能。

    橡胶密封件的使用必须满足以下性能：

    （1）泄漏量极小，密封作用良好。

    （2）良好的相容性，要求液压密封件对环境介质（水、空气）具有良好的相容性，不会因长期接触介质而溶胀、溶解或脆化变硬等，使之丧失密封作用。

    （3）摩擦阻力小，要求液压密封件具有较低的静摩擦阻力和动摩擦阻力，并且其摩擦系数应非常稳定，避免产生或减少低压爬行等不良现象。

    （4）使用寿命长，液压密封件应具有良好的弹性、耐热性、耐寒性、耐压性、耐磨性及一定的物理机械强度等。

    （5）价格低廉。液压密封件应易于制造和安装，其相应的密封槽又易于加工制造，对密封表面的加工精度等要求又较低，并且价格低廉。

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    密封件最常用的耐油橡胶是丁腈橡胶，丁腈橡胶由丁二烯和丙烯腈共聚制得。它具有良好的耐油性、耐热性、耐寒性、耐压性和耐水性，气密性及优良的粘结性能，并具有适宜的耐磨性，通常的使用温度大致为－40～+120℃，可在120℃的空气中或在150℃的油中长期使用。

    丁腈橡胶质O型密封圈是常用的自封式压紧型液压密封件，安装在密封槽内通常产生10%～25%的径向弹性压缩变形，并对密封表面产生较高的初始接触应力，它将迫使唇型密封圈的唇部紧贴密封表面，产生足够大的表面接触应力，从而双向阻止液体的泄漏，并且摩擦阻力较小，工作平稳，又易于装配和维修等。

    树脂挡圈可以实现以下功能：在阀位指示转动时定位O型橡胶圈，避免其在摩擦力作用下卷动、歪斜、变形；平衡接触压力，避免密封件切边现象，强化密封效果；表面糙时应当涂覆密封胶；降低动摩擦力，避免出现低压爬行等不良现象；兼有辅助密封功能。

    在维护过程中，应防止密封件损坏，如硬化（老化）、磨损、挤出、腐蚀。当硬度过高时，密封件不能填充与配合零件之间的间隙，就会产生泄漏。密封件的磨损涉及配合零件的表面光洁度、运动速度和传动媒体等，不同的密封材料适应不同的运动速度。当密封件承受过大压力时，会被挤到金属间隙，损坏密封件而产生泄漏，这种情况涉及密封件本身的硬度及金属间隙是否过大，如果在设计、选型、加工或安装上处理不当，都会出现挤出损坏。腐蚀表现出来的情况是密封件软化甚至溶解，原因是有害介质接触，媒体含水或溶剂时都要特别注意。

    3 结束语

    为提高兰高阀门的可靠度，延长阀门使用寿命，做好投产期的维护是非常重要的。目前，对于已投产的兰高阀门，做好齿轮箱的密封，保证密封点不渗漏，是解决齿轮箱进水锈蚀的最佳途径。为此建议：按上述方法为齿轮箱购置对应型号的密封件；提高阀门齿轮箱安装精度；采用固定扭力扳手对角安装螺栓，保证建立完整密封面；进行预防性维护管理，制定周期性维护计划并严格实施。