阀杆填料主密封压力计算及填料函结构的设计与应用浅析

    我们知道任何的调节阀都是不允许有外漏现象发生的，而发生外漏的主要途径之一是介质从阀杆处外泄，为了防止上述情况的发生一般采用了填料密封，即在阀杆处用填料函密封，如图1所示。
    其密封原则是根据使用工况填料4在压盖2的压力作用下产生一定的径向力，使其紧密与阀杆1和阀盖3接触，从而防止液体或气体等介质外泄。
一、填料密封主密封压力的计算
    如上所述，通过拧紧压盖2上的螺栓对填料函（即阀盖）3内的填料4进行轴向压缩，填料的塑性使其产生径向力并与阀杆1紧密接触。同时，填料中添加的润滑剂被挤出在接触面间形成油膜。由压力分布示意图于接触状态不均匀，接触部位出现边界润滑状态，未接触的凹部形成小油槽有较厚的油膜。当阀杆1与填料4有相对运动时，接触部位与不接触部位组成了不规则的迷宫阻止了介质的泄漏。

    为了保证填料密封的可靠性，必须保证填料对阀杆的径向压力即主密封压力。根椐填料密封时的压力分布理论分析和各种填料设计的性能测试，得出填料的径向压力即主密封压力计算式：

    式中P_r为填料径向压力（MP_a）；P₀为填料压盖处轴向压力（MP_a）；K为填料压力比（又称应力系数）；d₁为阀杆直径（mm）；d₀为填料函孔径（mm）；s为填料深度（mm）；μ₁为填料与阀杆间的动摩擦因数；μ₂为填料与填料函间的静摩擦因数。
    填料压力比是填料径向压力与轴向压力之比，是确定填料高度的一个重要因素。应力系数K取决于轴向压力，如图2所示。

.    填料密封时的压力分布情况如图1所示，可见，填料最大径向压力P_rmax在填料4与压盖2接触处，随着填料4高度的增加，径向压力Pr按指数规律降低，所以最小径向应力P_rmin在填料4与垫片5接触处。为避免此处发生泄漏，根椐式（1），计算得到P_rmin，该值应大于等于阀门内部介质压力P_i。
二、填料密封分析
    对填料密封的有效密封条件是采用适当的填料函形式和填料，分述如下。
    1、填料的选择
    对填料的要求是要有一定的塑性，在轴向压力的作用下能产生一定的径向压力，要有抵抗温度变化的能力，有抗蠕变，抗松驰等能力。此外，还要有足够的化学稳定性，抗氧化能力，不污染介质，不被介质泡涨，不腐蚀阀杆，摩擦因数小。且在阀杆有少量偏心时，填料应有足够的浮动弹性。填料本身应制造简单，填装方便。目前使用的填料一般有石棉石墨填料、柔性石墨填料和聚四氟乙烯填料。其特性及应用场合见表1。


    2、填料密封中摩擦力的影响
    据主密封压力公式（1），如果μ₁+μ₂（d₀/d₁）=0，则填料顶部施加的轴向压力P₀能均匀地传递到整个填料深度而没有任何衰减。但由于摩擦的存在，径向压力P_r随着与压盖2距离的增加而减小。摩擦越大，径向应力P_r衰减得越厉害，所以摩擦因数μ₁和μ₂应尽可能小。此外，d₀/d₁总大于1，所以在减小应力衰减的作用上，μ₂比μ₁更重要。
    阀杆1表面和阀盖3内孔表面粗糙度对阀杆处的密封和磨损至关重要。阀杆1与阀盖3内孔的表面粗糙度应尽可能小，一般阀杆表面R_a≤0.8μm，阀盖3内孔R_a≤1.6μm。
    3、填料函内孔直径与填料截面宽度
    根据填料密封主密封压力方程式（1），填料函孔径和阀杆直径的比值d₀/d₁，也影响着径向压力P_r的大小。而对于不同的阀杆直径d₁，填料的截面宽度S=（d₀-d₁）/2，存在一个得到最佳密封性能的范围，一般经验公式取S=（1.2～1.5），即d₀=（2.4～3.0）
    4、填料的选择与安装
    填料的选择或安装不合理，同样可以导致阀杆密封泄漏，为确保填料密封性能，应采用以下措施：1）除硝酸、浓硫酸等强氧化性介质外，可选用柔性石墨，并在柔性石墨上部及下部均使用一圈石棉编制绳。该种密封填料可增加填料强度，并可防止填料挤出，增加填料密封的密封性。
    2）阀门解体后，最好装入不切口的整环盘根（即图1中的填料4）。因种种原因而必需装入切口盘根时，盘根接头切口应切成45°，各层接头应错开180°，且填料压盖2不得倾斜，并留有足够的再压余量，使整个填料组件4被压缩30%。填料压盖2上的压套压入填料函的深度为其高度的1/4～1/3。
    3）高温高压调节阀门应控制填料压盖螺栓转矩，若螺栓与螺母均处于洁净良好的润滑状态时，可以通过系统压力、填料尺寸、螺栓大小和旋入螺纹数等来估算螺栓的预紧转矩，为填料的压缩量提供依据。
三、结论
    要达到良好的阀杆密封效果，就必须根椐不同的工况条件选择适当的填料材料，合理设计填料函深度及阀杆直径、采用合理的填料密封结构。

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