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(lái)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(lái)未解決的突出問(wèn)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(guò)度密封的情況，在長(zhǎng)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(lái)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(jiǎn)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(rùn)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^(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(chǎng)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(guò)捻線，編強(qiáng)織成盤根.這種盤根無(wú)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(rùn)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(guò)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(rùn)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(rùn)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(chǎng)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(guò)填料壓蓋上緊固螺栓松緊來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(rùn)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(lái)了比較大的問(wèn)題?；谏鲜鰡?wèn)題的考慮，我司結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)以及經(jīng)驗(yàn)的積累近年來(lái)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(guò)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(wú)需拆卸整個(gè)填料函，大大提高效率以及方便操作。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(zhǎng)。

　　六、結(jié)束語(yǔ)

　　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(jiǎn)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(méi)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。