高溫閥門填料研究與應(yīng)用

閥門是現(xiàn)代工業(yè)中一種常見的機(jī)械產(chǎn)品。作為流體傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵性控制部件，因其具有的截止、調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓、分流等功能，其主要應(yīng)用于鍋爐、蒸汽管道、煉油、化工、火力以及冶金等領(lǐng)域。現(xiàn)代工業(yè)對(duì)閥門密封的可靠性提出了越來越高的要求，密封性能是評(píng)定閥門產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。

高溫閥門是指工作溫度高于250℃的閥門，高溫閥門的閥桿填料密封技術(shù)一直是多年來未解決的突出問題，也是提高閥門可靠性的薄弱環(huán)節(jié)之一。常見的高溫閥門閥桿填料密封一般存在的密封不足或過度密封的情況，在長時(shí)間運(yùn)行中閥門閥桿處容易出現(xiàn)泄漏，易燃易爆、劇毒等危險(xiǎn)物的泄漏不僅會(huì)造成裝置停工和經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)引起環(huán)境污染，甚至人員傷亡事故，給裝置的運(yùn)行帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)。

　　一、閥門填料密封的原理

　　閥門的密封性能是評(píng)定閥門質(zhì)量性能的一個(gè)重要指標(biāo)。現(xiàn)在大部分的調(diào)節(jié)閥或者通用閥門閥桿和填料密封為接觸式密封，因其結(jié)構(gòu)簡單、裝配及更換方便、成本低廉而被廣泛采用。

　　閥門中閥桿和填料處的泄漏又是常見的現(xiàn)象。填料之所以能起到密封的作用，其原理現(xiàn)在主要存在兩大密封觀點(diǎn)，分別是“軸承效應(yīng)”和“迷宮效應(yīng)”。

　　填料的“軸承效應(yīng)”是指在盤根填料和閥桿之間，擠壓填料以及在外部的潤滑劑作用下，因?yàn)閺埩υ陂y桿的接觸面形成一層液膜，使填料和閥桿形成類似于滑動(dòng)軸承的關(guān)系，這樣填料和閥桿就不會(huì)因?yàn)檫^度摩擦而出現(xiàn)磨損，同時(shí)因?yàn)橐耗ご嬖?，填料和閥桿時(shí)刻處于密封狀態(tài)。

　　填料的“迷宮效應(yīng)”則是指閥桿的表面平整程度無法達(dá)到微觀水平，填料和閥桿只能部分貼合而做不到 貼合，在填料和閥桿之間永遠(yuǎn)存在著極為微小的間隙，又因填料間的切口不對(duì)稱裝配，這些間隙一起形成了迷宮帶，介質(zhì)在其中被多次節(jié)流、降壓，而達(dá)到密封的作用。

　　填料密封中的“迷宮效應(yīng)”所指的閥桿的表面平整程度無法達(dá)到微觀水平，閥桿和填料間的微小間隙這是客觀存在的，無法消除，如果從這方面進(jìn)行填料密封設(shè)計(jì)，往往效果不是很理想，而這是造成多空間泄漏或動(dòng)力泄漏的基本條件。密封介質(zhì)通過填料和閥桿泄漏機(jī)理有很多形式：腐蝕間隙泄漏機(jī)制、多孔泄漏機(jī)制、動(dòng)力泄漏機(jī)制等。本文對(duì)于高溫工況下的閥門填料密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)是基于上述多種泄漏機(jī)制，提出切實(shí)可行的改進(jìn)方案。

　　二、目前常見的填料類型以及應(yīng)用場合

　　1、聚四氟乙烯盤根

　　聚四氟乙烯盤根是以純聚四氟乙烯分散樹脂為原料，先制成生料薄膜，再經(jīng)過捻線，編強(qiáng)織成盤根.這種盤根無其它添加物，可廣泛用于食品、制藥、造紙化纖等有較高清潔度要求，和有強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的閥門、泵上。

　　適用范圍：zui高使用溫度：260℃，zui大使用壓力：20MPa，pH值：0-14。

　　2、膨脹石墨盤根

　　膨脹石墨盤根又稱柔性石墨盤根采用柔性石墨線經(jīng)穿心編織而成。膨脹石墨盤根具有良好的自潤滑性及導(dǎo)熱性，摩擦系數(shù)小，通用性強(qiáng)，柔軟性好，強(qiáng)度高，對(duì)軸桿有保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn)。

　　適用范圍：zui高使用溫度：600℃，zui大使用壓力：20MPa，pH值：0-14。

　　3、增強(qiáng)型石墨盤根

　　增強(qiáng)型石墨盤根采用玻璃纖維、銅絲、不銹鋼絲、鎳絲，茵苛鎳合金絲等材料增強(qiáng)的純膨脹石墨線編織而成。具有膨脹石墨的各項(xiàng)特性，而且通用性強(qiáng)，柔軟性好，強(qiáng)度高。與一般的編織盤根組合，是解決高溫，高壓密封難題的zui有效的密封元件之一。

　　適用范圍：zui高使用溫度：550℃，zui大使用壓力：32MPa，pH值：0-14。

　　該盤根是膨脹石墨盤根的增強(qiáng)版，是很 的密封材料。

　　以上列舉了常見的幾種填料盤根的類型，實(shí)際生產(chǎn)過程中還會(huì)遇到針對(duì)特殊工況研發(fā)的其他種類填料盤根。例如較好耐化學(xué)性的芳綸纖維盤根；適合高負(fù)荷旋轉(zhuǎn)軸的芳綸碳纖維混編制盤根等等，本文限于篇幅，就不一一詳細(xì)介紹。

　　三、常見閥門填料結(jié)構(gòu)和選擇

　　常見的閥桿填料密封結(jié)構(gòu)主要有壓板、壓蓋、隔套、填料等組成。為了達(dá)到良好的密封效果，一般要求填料具有組織致密，化學(xué)穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)低等特點(diǎn)。一般在溫度低于200℃，填料常選用聚四氟乙烯盤根，其具有的高潤滑、不粘性、電絕緣性和良好的抗老化等特點(diǎn)，廣泛用于石油、化工、制藥等領(lǐng)域。

　　在200°到450°溫度工況下，石墨盤根因具有耐高溫、自潤滑、低摩擦系數(shù)等特點(diǎn)，被廣泛選用。石墨盤根根據(jù)用途已研制出各種分類，在實(shí)際應(yīng)用中，填料可根據(jù)實(shí)際工況條件選擇合適的石墨盤根類型，例如250℃、低壓工況場合可選擇膨脹石墨盤根，中、高壓可選擇增強(qiáng)型石墨盤根或者兩者組合使用。

　　四、高溫閥門填料結(jié)構(gòu)外漏分析

　　在高溫工況下，如選用石墨盤根密封結(jié)構(gòu)，很容易出現(xiàn)外漏情況。經(jīng)分析原因如下：

　　石墨盤根裝入填料函內(nèi)，通過填料壓蓋上緊固螺栓松緊來施加對(duì)填料的軸向壓力。由于填料具有一定程度的可塑性，受軸向壓力后產(chǎn)生徑向壓力和微變形，內(nèi)孔與閥桿緊密貼合，但是這種貼合上下不是均勻的。通過填料壓力分布和填料密封力分布可知，填料函中上部填料和下部填料受介質(zhì)壓力是不均勻的。直接導(dǎo)致兩部分填料塑性變形不一致，容易出現(xiàn)填料與閥桿的局部密封過度或者密封不足，同時(shí)靠近壓蓋處受的徑向壓緊力 大，所帶來的填料與閥桿的摩擦力也 大，在此處閥桿和填料容易出現(xiàn)磨損。

　　在高溫情況下，溫度越高，石墨盤根膨脹越大，摩擦力也隨之加大，高溫所帶來的散熱不及時(shí)，加速了閥桿和填料的磨損率，這也是高溫閥門填料容易出現(xiàn)外漏的主要原因。

　 五、高溫閥門填料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　高溫工況下的閥門填料 容易出現(xiàn)外漏的情況，高溫填料一般選擇膨脹石墨盤根為主。膨脹石墨填料的自潤滑性和膨脹性好、回彈系數(shù)高，但缺點(diǎn)是易碎、抗剪切力差，一般安裝在填料函的中間部分，防止膨脹石墨填料受到填料壓蓋和底部壓墊的擠壓而損壞；增強(qiáng)型石墨盤根因含有鎳絲等，結(jié)實(shí)抗擠壓，故可以安裝在頂部和底部。

　　雖然利用膨脹石墨和增強(qiáng)型石墨盤組合解決部分高溫下填料外漏的情況。但是對(duì)于閥門動(dòng)作比較頻繁的工況，石墨盤根磨損率比較高，使用一段時(shí)間后需要人工緊填料函上的緊固螺栓，對(duì)于人工和排查都帶來了比較大的問題。基于上述問題的考慮，我司結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)以及經(jīng)驗(yàn)的積累近年來研制一種補(bǔ)償性的閥門填料結(jié)構(gòu)，特別針對(duì)高溫低壓、以及高溫高壓的不同工況，針對(duì)性的開發(fā)不同的高溫填料結(jié)構(gòu)，一舉解決了閥門在高溫工況下容易外漏的情況。

　　高溫低壓型，采用特制補(bǔ)償性圈形彈簧和組合式石墨盤根相結(jié)合。

　　工況壓力不高故取消填料隔套，填料函底部加入特制補(bǔ)償性圈形彈簧，安裝時(shí)需緊固螺栓預(yù)加一定的預(yù)緊力。即使石墨填料和閥桿出現(xiàn)摩擦性磨損，圈形彈簧能即時(shí)作出相應(yīng)的補(bǔ)償性調(diào)節(jié)，保證閥門發(fā)生外漏情況。

　　高溫高壓型，這是一種 的填料系統(tǒng)，采用碟形彈簧和圈形彈簧外置雙補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，能夠避免溫度過高使彈簧失效的優(yōu)點(diǎn)，尤其在高溫、高壓情況下極端工況下，某處補(bǔ)償點(diǎn)失效，另一組補(bǔ)償依然有效，兩者不干涉，單獨(dú)補(bǔ)償?shù)瑫r(shí)對(duì)填料起作用。碟形彈簧的封閉性也有利于在惡劣戶外條件下使用，兩處補(bǔ)償點(diǎn)的外置結(jié)構(gòu)也有利于更換，無需拆卸整個(gè)填料函，大大提高效率以及方便操作。經(jīng)過長期用戶跟蹤，此類型填料結(jié)構(gòu)對(duì)于高溫、高壓下的閥桿密封防止防止外漏效果明顯，使用壽命長。

　　六、結(jié)束語

　　在實(shí)際使用工況中，引起閥門的外漏因素有很多，填料和閥桿之間的密封是重要因素之一。本文簡單介紹了常見填料的分類、選擇以及密封結(jié)構(gòu)，特別是高溫情況下的填料密封結(jié)構(gòu)以及對(duì)應(yīng)高、低壓的不同選擇，重點(diǎn)介紹了高溫下 的補(bǔ)償性填料密封結(jié)構(gòu)以及原理。填料密封沒有一勞永逸的密封結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際工況，選擇合適的填料類型和對(duì)應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)才能 大限度的保證密封性能和使用壽命。