风门密封的特征和失效问题的分析

孔庆民

摘要：风门虽然结构简单，制作粗糙，但在密封工作方式、工作环境、密封面间流体的流动、密封面面积比、变形问题、密封间隙和流体静压效应等方面均有其自身的特点。

关键词：插板式关断风门；内密封；密封间隙；泄漏量；失效

概述

火力发电站锅炉常用风门的形式有多种，从功能上来分有两类：调节风门和开关风门（或称为关断风门）。从使用者的角度考虑，大多认为插板式的风门密封性能优于其它形式，因此现场应用较多，尤其在参数较高的系统。这种风门的插板与风门外壳体（可视为风道的组成部分）的间隙存在两个方向的泄漏：向大气环境的外漏和沿介质流动方向的内漏。本文结合一般机械密封的要求仅讨论这种风门的内密封（或内漏）问题。

1.插板风门的密封特征

1.1结构特点

与通常的机械密封结构不同，风门的结构一般较为简单，多为铆焊的结构形式。密封面一般采用型材制作，很少有机械精加工面，表面粗糙。插板与周围框架的上下端面形成密封副，密封面间隙填充石棉盘根实现密封面间的密封。普通的机械密封，《机械密封技术条件》（JB4127-85）中对密封面的各项技术条件都有明确的规定，其中密封面的平面度不大于0.9um，金属材料的表面粗糙度为0.2um，非金属表面的粗糙度为0.4um。通常的机械密封结构复杂。与此相比，风门的密封结构就简陋得多。

1.2 密封的工作方式

通常的机械密端面密封应用于转动设备的轴系，由动环和静环组成一对密封副。正常工作时动环随轴转动。风门的密封只需要考虑关闭状态下防止压力介质的流通，密封面之间处于相对静止的状态。从这一点来说，风门的密封问题较转动设备的机械端面密封简单得多。

1.3 工作环境

风门的密封介质压力一般不是很高，热风最高压力约20kPa，循环流化床锅炉的高压流化风压力约50kPa，烟气则略呈负压。但是介质的温度很高，热风温度约300℃，烟气则随位置的不同温度在100～600℃不等。这与通常的机械端面密封有所区别。机械端面密封的工作介质压力较高，但温度较低[1]。

1.4 密封面间流体的流动特点

虽然风门的密封工作方式与通常的机械端面密封相比较为简单，但仍然可以引用机械端面密封的相关理论，因为它们同属于粘性流体的窄缝流动问题。由于风门间隙相对于密封周界小的多，相对于密封面宽度也小很多，因此，风门间隙内的流体流动可视为无限宽平板间的楔状定常流动。

1.5 密封面面积比

密封流体作用的有效面积A2等于插板的面积，密封面面积等于插板在风门边框槽内的面积Af，面积比B2=A2/Af。显然B2大于1，风门的密封方式属于非平衡式密封。

1.6 变形问题

由于风门结构的特殊性，在关断状态下，插板承受着较大的压力：pA2，p为密封流体压力。与其它机械密封相比，A2要大得多。因此pA2是密封面载荷的主要组成部分。风门密封面温度相对均匀，虽然温度较高，因无沿密封面温度梯度，也就不存在该方向形变的差异问题。但是，高温的作用降低了插板材料的强度，使其因压力作用产生形变的量被放大。与冷态时相比，插板因压力作用将产生沿流体压力作用方向上的形变，从而对密封面间隙的形状产生了影响。

2.密封失效问题分析

2.1 失效的判据[1]

密封泄漏量多大才算失效，这很大程度上取决于被密封介质性质和密封的工作环境，并没有一个定量的标准。一般认为，当泄漏量为理论值的250倍时，该密封一定不正常。对于风门而言，能接受的最大泄漏量以不影响其它系统或设备的正常运转为限。如磨煤机热风门的漏风量导致磨煤机内部温升不能超过磨煤机的启动温度限制，否则就认为密封失效，或风门关闭不严。

2.2 泄漏量的理论计算

从实质上说，风门密封属于非接触式。按照机械密封理论其密封面的“摩擦状态”属于“流体润滑状态”。通过平行平面缝隙压差流产生的泄漏量可根据流体力学缝隙流动导出。两种缝隙下的

对比两个公式不难看出，在其它条件相同时，无论h2>h1（收敛间隙）还是h22.3 密封失效原因分析

风门在应用中出现密封失效的问题，究其原因大致有如下三个方面：

2.3.1难以做到接触式密封

按照机械密封对接触面的要求，密封面间隙约在0.5～1um。而在风门中的密封间隙约是这一数值的100～1000倍，即密封处于开启状态。

制造加工过程中精度较差，密封面间隙过大，达不到密封要求。虽然在密封面间会填充一些石棉类物质以求达到密封面的紧密接触，但由于其强度太差，在风蚀的作用下这些物质难以持久，最终造成了密封面被打开，泄漏量过大，密封失效。

2.3.2收敛形密封面

如2.2所说，应尽量遵循平行面原则以降低泄漏量。根据1.6的讨论，在压差的作用下插板总会产生沿流动方向的变形，使风门密封面间隙呈收敛形，从而使得泄露量加大。

2.3.3风门的动作误差

热风和烟气中含有一定量的灰尘，如果设计不当，这些灰尘会在插板通道内沉积下来。随着灰尘量增加，可能会堵塞插板通道。这样风门在关闭时动作不完整，关不到位，形成缝隙，造成泄漏。

3.小结

风门密封属于静态接触式密封，其流体流动属于粘性流体的窄缝流动，与普通机械端面密封相比，无论在结构上还是在密封机理上都要简单得多。高参数是机械密封发展的方向。因此，不论设计制造方还是应用方都很少有人关注风门一类设备的密封问题。风门密封虽然简单，仍有自身的一些特点，应用中也已经出现了影响系统或设备正常启动的密封失效问题。因此，对风门的密封问题应该给与一定的关注，结合其应用特点做专门的设计，以保证其密封的可靠性。

参考文献：

[1]顾永泉.机械密封实用技术.北京：机械工业出版社，2001.7.