化工控制閥密封填料

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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹化工控制閥密封填料在化工裝置中，閥門的密封是非常重要的，閥門填料函是防止因閥桿移動(dòng)而引起閥內(nèi)工藝介質(zhì)向外泄漏的部件，是保證閥桿正常工作的不可忽視的部件。針對(duì)控制閥的填料密封，并結(jié)合相關(guān)資料，通過對(duì)幾種典型的控制閥填料函結(jié)構(gòu)形式分析，闡述閥門填料函的幾種形式及其特點(diǎn)，介紹密封填料聚四氟乙烯和柔性石墨特性及應(yīng)用場(chǎng)合，合理地選擇控制閥的填料函。
關(guān)鍵字：控制閥；填料函；填料；聚四氟乙烯；柔性石墨

1 化工控制閥密封填料引言
控制閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)的終端控制元件之一，選型尤為重要，由于在化工裝置中，存在許多的高溫，高壓工況，介質(zhì)具有較強(qiáng)的毒性和腐蝕性，且為易燃易爆，當(dāng)閥門有泄漏時(shí)，不僅會(huì)造成原材料和產(chǎn)品的浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境也會(huì)造成嚴(yán)重污染，甚至引起火災(zāi)、爆炸、中毒等危害生命的安全事故。因此，閥門的密封問題應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，在設(shè)計(jì)選型中合理地選用控制閥的密封是非常重要的。
閥門的密封分為兩種，即外部密封和內(nèi)部密封，對(duì)于控制閥的外部密封，即填料密封，結(jié)合相關(guān)資料，對(duì)其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，并對(duì)填料的選擇應(yīng)該注意的方面進(jìn)行探討。

控制閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)作可靠等特點(diǎn)，但由于它直接與工藝介質(zhì)接觸，其性能直接影響系統(tǒng)質(zhì)量和環(huán)境污染，所以對(duì)控制閥必須進(jìn)行經(jīng)常維護(hù)和定期檢修，尤其對(duì)使用條件惡劣和重要的場(chǎng)合，更應(yīng)重視維修工作。重點(diǎn)檢查部位：

1、閥體內(nèi)壁 對(duì)于使用在高壓差和腐蝕性介質(zhì)場(chǎng)合的控制閥，閥體內(nèi)壁、隔膜閥的隔膜經(jīng)常受到介質(zhì)的沖擊和腐蝕，必須重點(diǎn)檢查耐壓、耐腐的情況。

2、閥座 控制閥工作時(shí)，因介質(zhì)滲入，固定閥座用的螺紋內(nèi)表面易受腐蝕而使閥座松動(dòng)，檢查時(shí)應(yīng)予注意。對(duì)高壓差下工作的閥，還應(yīng)檢查閥座密封面是否沖壞。

3、閥芯 閥芯是調(diào)節(jié)工作時(shí)的可動(dòng)部件，受介質(zhì)的沖刷、腐蝕zui為嚴(yán)重，檢修時(shí)要認(rèn)真檢查閥芯各部分是否被腐蝕、磨損，特別是在高壓差的情況下閥芯的磨損更為嚴(yán)重（因氣蝕現(xiàn)象），應(yīng)予注意。閥芯損壞嚴(yán)重時(shí)應(yīng)進(jìn)行更換，另外還應(yīng)注意閥桿是否也有類似的現(xiàn)象，或與閥芯連接松動(dòng)等。

4、膜片 "O"形圈和其它密封墊。應(yīng)檢控制閥中膜片、"O"形密封墊是否老化、裂損。

5、密封填料 應(yīng)注意聚四氟乙烯填料、密封潤(rùn)滑油脂是否老化，配合面是否損壞，應(yīng)在必要時(shí)更換。

調(diào)節(jié)閥又稱控制閥，是執(zhí)行器的主要類型，通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號(hào)，借助動(dòng)力操作去改變流體流量。調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組成。如果按其所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的動(dòng)力，調(diào)節(jié)閥可以分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三種，即以壓縮空氣為動(dòng)力源的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以電為動(dòng)力源的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以液體介質(zhì)(如油等)壓力為動(dòng)力的電液動(dòng)調(diào)節(jié)閥，另外，按其功能和特性分，還有電磁閥、電子式、智能式、現(xiàn)場(chǎng)總線型調(diào)節(jié)閥等。

2 填料函結(jié)構(gòu)
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥控制閥閥門部分由閥的內(nèi)件和閥體組成，閥的內(nèi)件包括閥芯、閥桿、填料函和上閥蓋等，其中填料函部件用于對(duì)閥桿的密封，是用彈性方法防止工藝介質(zhì)通過往復(fù)式或轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)而在閥桿表面產(chǎn)生泄露，它是閥體不可分割的一部分，閥門的閥桿密封幾乎都是利用填料函來實(shí)現(xiàn)的。
圖1為zui常用的螺栓連接填料函部件，是典型直通控制閥填料部分的結(jié)構(gòu)，它包括填料法蘭、填料壓蓋、套環(huán)和許多大小一樣的聚四氟乙烯(PTFE)V形填料環(huán)。填料通過法蘭和雙頭螺栓來定位和調(diào)整。填料法蘭和壓蓋以球形表面相接觸，如果因?yàn)槭韬龆固盍戏ㄌm沒對(duì)中時(shí)，閥桿不會(huì)受到側(cè)向力影響。套環(huán)為潤(rùn)滑油的注入提供了間隙，在多數(shù)情況下，閥桿通過填料滑動(dòng)之前有一個(gè)金屬護(hù)套，帶凸緣的PTFE和油毛氈套環(huán)，用來清除閥桿上的污物和磨蝕顆粒。PTFEV形填料環(huán)的工作特點(diǎn)是在閥內(nèi)介質(zhì)的壓力作用下，填料外圈的唇邊在張開時(shí)，始終緊貼著填料函的內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)靜密封。同樣在壓力作用下，填料內(nèi)圈的唇邊張開時(shí)，始終緊貼著閥桿去保證動(dòng)密封。這樣即使閥桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，同樣能保證密封作用。

圖1 螺栓連接單層填料函結(jié)構(gòu)
圖1所示結(jié)構(gòu)為外部壓緊填料密封結(jié)構(gòu)。其密封是靠壓蓋從外部壓緊填料來實(shí)現(xiàn)的，在壓蓋壓緊軸向力作用下，填料與閥桿之間產(chǎn)生徑向接觸壓力，此種密封結(jié)構(gòu)適用于中低壓閥門，其優(yōu)點(diǎn)是便于制造、加工和維修，缺點(diǎn)是與介質(zhì)接觸的底層填料所受徑向壓力zui小，不利于密封。如果加大填料壓緊力，就會(huì)使閥桿的起閉力矩加大，加重閥桿的磨損，影響閥門使用壽命。

圖2 單層PTFEV形環(huán)填料
圖2為單層PTFEV形環(huán)填料，此結(jié)構(gòu)是比較典型的模式，它是在填料環(huán)和填料函蓋之間使用圈形彈簧，是有彈簧的單層填料函及V型自密封填料環(huán)，彈簧產(chǎn)生欲緊密封力，保證填料的低壓密封。對(duì)于要求不太苛刻的使用場(chǎng)合，如水或蒸汽，某些低壓場(chǎng)合使用此形式，如果壓力不超過2.07MPa、溫度在-18～93℃之間，能滿足體積分?jǐn)?shù)為10-4級(jí)的泄漏量要求，提供了良好的密封性能并只有zui低的運(yùn)行摩擦力。在這種結(jié)構(gòu)中，填料法蘭從外部壓緊了填料函內(nèi)部的填料環(huán)，填料環(huán)下部的彈簧從內(nèi)部壓緊了填料環(huán)。該結(jié)構(gòu)使填料與閥桿間徑向接觸壓力沿軸向的分布趨于均勻，使各圈填料都能夠起到密封作用，易于實(shí)現(xiàn)密封。在閥桿中部，則易形成較厚的液膜，起到良好的潤(rùn)滑作用，可以減輕填料對(duì)閥桿的磨損，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。

圖3 雙填料密封結(jié)構(gòu)
圖3是一種雙填料密封，即組合件有上、下兩組串聯(lián)的閥桿填料，這樣的密封結(jié)構(gòu)閥門更可靠、安全，用于高壓場(chǎng)合；它也能用于高真空，但在這種情況下，V形環(huán)必須翻過來放。
圖4為Enviro Seal填料系統(tǒng)，采用雙層PTFEV形環(huán)填料結(jié)構(gòu)，目前它是一種*填料系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)時(shí)負(fù)載彈簧設(shè)計(jì)，適用于壓力不大于5.17MPa和溫度不大于232℃的場(chǎng)合。在填料壓蓋處采用了“活載”結(jié)構(gòu)，即在填料壓蓋的螺栓上增設(shè)碟簧，使填料壓蓋始終作用于填料上較大的壓力，從而可以防止因壓蓋螺栓松弛或填料松弛而造成的外漏，使得填料載荷始終保持恒定，是比較典型的減少泄漏排放的填料系統(tǒng)。此結(jié)構(gòu)也具有雙填料PTFE和石墨組件形式，滿足防火測(cè)試。

圖4 PtfeEnviro Seal填料系統(tǒng)一些角行程閥門如球閥、蝶閥、旋塞閥使用
一個(gè)旋轉(zhuǎn)式的閥桿，閥桿和密封元件之間沒有滑動(dòng)摩擦，這就減少了填料的泄漏，延長(zhǎng)了填料的使用壽命，用O形環(huán)或人字形填料的填料函密封閥桿。根據(jù)介質(zhì)特性也可選擇雙填料密封。
3 填料的選擇
要保證閥門填料的密封性能好、使用壽命長(zhǎng)、適應(yīng)范圍廣，其材料必須具備以下各種性能：化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，不與任何化學(xué)物發(fā)生反應(yīng)；摩擦系數(shù)低，耐磨性強(qiáng)，對(duì)閥桿磨損小；具有良好的自潤(rùn)滑性，磨合性好，不與閥桿表面發(fā)生咬黏現(xiàn)象；具有一定的柔軟性；有良好的嵌入性和防震性；在較高的工作溫度下不結(jié)焦、不變質(zhì)、不分解，在較低的溫度下不脆裂。

密封性能差的問題
調(diào)節(jié)閥在使用中出現(xiàn)密封性能不好，產(chǎn)生泄露的問題要如何解決呢？以下來介紹一下調(diào)節(jié)閥密封性能差的五種解決方法：
1、研磨法細(xì)的研磨，消除痕跡，減小或消除密封間隙，提高密封面的光潔度，以提高密封性能。

2、提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)密封力法，對(duì)于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥或是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)閥芯的密封力，也是保證閥關(guān)閉，增加密封比壓，提高密封性能的常見方法。
常用的方法有：①移動(dòng)彈簧工作范圍②改用小剛度彈簧③增加附件，如帶定位器④增加氣源壓力⑤改用具有更大推力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3、利用不平衡力增加密封比壓法執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)閥芯產(chǎn)生的密封壓力一定，不平衡力對(duì)閥芯產(chǎn)生頂開趨勢(shì)時(shí)。閥芯的密封力為兩力相減；反之，對(duì)閥芯產(chǎn)生壓閉趨勢(shì)，閥芯的密封力為兩力相加。這樣就大大地增加了密封比壓，密封效果可以比前者提高5～10倍以上，一般dg≥20的單密封類閥為前一種情況。通常為流開型，若認(rèn)為密封效果不滿意時(shí)，改為流閉型，密封性能將成倍增加，尤其是兩位型的切斷調(diào)節(jié)閥,一般均應(yīng)按流閉型使用。

4、采用單密封、軟密封法：對(duì)雙密封使用的調(diào)節(jié)閥,可改用單密封,通常可提高10倍以上的密封效果,若調(diào)節(jié)閥不平衡力較大,應(yīng)增加相應(yīng)措施,對(duì)硬密封的閥可改用軟密封,又可提高10倍以上密封效果。

5、改用密封性能好的閥：在不得已的情況下,可考慮改用具有更好的密封性能的閥.如將普通蝶閥改用橢圓蝶閥,進(jìn)而還可改用切斷型蝶閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、球閥和為之專門設(shè)計(jì)的切斷閥。

目前使用的zui廣泛的閥門填料是PTFE，因?yàn)樗鼛缀跄芡瑫r(shí)具備以上各種性能，有*的化學(xué)惰性和優(yōu)良的潤(rùn)滑性。當(dāng)填料的工作溫度在-40～232℃時(shí)PTFE，它密封性好，摩擦系數(shù)小，幾乎適用于各種化學(xué)藥品、酸、堿等流體和禁油場(chǎng)合。
PTFE可以整體壓制，也可以車制成形(V形環(huán))，整體的V形環(huán)要加彈簧力使它對(duì)閥桿具有起碼的欲緊力，并且能自我調(diào)整，不需要填料潤(rùn)滑，也可以做為石墨填料的潤(rùn)滑劑。聚四氟乙烯填料的缺點(diǎn)是膨脹系數(shù)高，當(dāng)介質(zhì)溫度達(dá)到300℃以上時(shí)，PTFE會(huì)急劇膨脹，很容易因摩擦發(fā)熱而抱軸，加劇磨損，縮短了填料壽命，zui終導(dǎo)致閥門在短期內(nèi)泄漏；它不能用于熔融狀堿性金屬、高溫的氟化氯和含有氟元素的介質(zhì)，需要極其光滑的閥桿光潔度以正確密封，如果閥桿或填料表面被損壞，會(huì)產(chǎn)生泄漏。不可單獨(dú)用于結(jié)晶性或含固體顆粒的流體，如果必須使用，應(yīng)在填料函下部安放石墨填料，上部再安放V形PTFE填料。
柔性石墨填料是一種新型的填料 ,它具有密封性、自潤(rùn)滑性好 ,耐腐蝕 ,耐高低溫和溫度變化影響較小，適用于高溫或低氯含量的場(chǎng)合，常用于高壓蒸汽、水和油品介質(zhì)以及對(duì)填料有較高要求的密封介質(zhì)。除發(fā)煙硫酸、濃硝酸等強(qiáng)氧化介質(zhì)外，柔性石墨能耐一切介質(zhì)。使用溫度在-200～600℃，適用于公稱壓力不高于32MPa的工況條件，提供無泄漏操作，有高的熱傳導(dǎo)性和長(zhǎng)久的使用壽命，但它對(duì)閥桿摩擦力大，通常要使用閥門定位器才能很好工作。它不能用于高濃度、高溫的強(qiáng)氧化劑，如濃硝酸、濃硫酸等介質(zhì)。對(duì)于填料函尺寸較小的球閥、旋塞閥則僅用柔性石墨編織填料即可。在流體壓力為負(fù)壓的場(chǎng)合，應(yīng)使用反向(開口向上)安裝的V形PTFE填料，對(duì)于負(fù)壓與正壓交替使用的場(chǎng)合，則應(yīng)采用雙層V形PTFE填料，下層正裝，上層反裝。
H2是易燃物質(zhì)，密度小，易泄漏，因此選擇填料要注意，一般采用V形PTFE與石墨填料組合使用。流體溫度高于200℃的場(chǎng)合，填料函多采用雙重密封的結(jié)構(gòu)。通常使用的非PTFE填料一般為硅基潤(rùn)滑脂，但在控制氧氣時(shí)不準(zhǔn)使用潤(rùn)滑脂。

因此，一般情況下條件滿足優(yōu)先選擇PTFE，不滿足時(shí)選石墨。也可以使用混合填料：一是石墨填料和聚四氟乙烯填料混合使用，二是O形環(huán)和V形環(huán)混合使用。滲透性強(qiáng)的介質(zhì)，可選用石墨填料 。
填料的使用條件與填料函結(jié)構(gòu)、工況條件和填料的材料、形式等因素密切相關(guān)。在選擇填料時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體條件來定。一般來說，壓力與溫度之間只能滿足一個(gè)zui大值；選擇高溫閥門填料時(shí)，應(yīng)首先考慮溫度；對(duì)于溫度壓力都不太高的腐蝕性介質(zhì)，應(yīng)優(yōu)先選擇耐蝕性好的材料。
4 結(jié)束語
閥門的密封性能是否良好，對(duì)石油化工裝置的安全運(yùn)行起著重要的決定作用，因此在選用閥門時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的介質(zhì)條件、工況要求和閥門類型等，選擇合理的閥桿密封填料。既要做到密封可靠，又要經(jīng)濟(jì)合理，以保證石油化工裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有角式平衡型截止閥設(shè)計(jì)說明