控制阀密封填料分析研究

发布时间:2011-08-01  点击数:1923

    一个控制系统的控制质量受到组成系统各环节的影响,更取决最薄弱环节的影响,控制阀虽然相对控制系统和过程仪表而言略显简单,但在工业生产过程对控制要求及安全性不断提高的情况下,其必要性、重要性以及在回路中较高的故障频次已引起业内注意。

    控制阀的生产厂家众多,造成控制阀品种多、规格多、参数多,质量参差不齐。不同厂家的同类型控制阀的设计差异、技术特点和应用情况如何?也是笔者近期关注的问题,并开始对控制阀做一些探讨。现以部分知名品牌控制阀为例,着重对目前在用量最大、多数厂家都在生产的直通单座球形阀做一些细节分析。本文针对控制阀密封填料的技术细节进行分析探讨。

    密封填料

    控制阀的密封填料由填料函部件和填料组成,是对阀杆运动的动密封,是防止控制阀外漏、保证阀杆正常提升以及维持控制阀静态和动态特性不可忽视的部件。在控制阀运行中所有发生的故障统计中,密封填料泄漏故障率较高,甚至造成工艺系统停车或引发环境污染。

    密封填料的使用由来已久,一些机泵也使用填料作为静、动密封。密封填料部件易于加工、操作简单、价格不高,也使部分厂商在控制阀设计和选用上对其考虑得少一些,细节设计不到位。随着流程工业对控制要求和功能安全要求的不断提高,对控制阀环保场合泄漏量的密封性能、动密封的长久性能和延长检维修周期的要求也不断提高,使控制阀密封填料变得重要起来。如何设计出结构合理、安全可靠的密封填料是国内外多数制造商的议事日程。

    对于直通单座球形阀而言,密封填料也应是关键点。关注控制阀的密封填料,涉及密封理论、填料函结构、填料型式及其组合、应用工况。

    密封理论

    密封填料的设计基于力比较、力平衡原理,使密封填料的密封力大于被密封的阀内压力(流体介质的压力)的作用力。

    根据填料密封时的压力分布理论和各种密封填料实际工况测试,得出下列公式:

   

    式中:pr-填料的径向压力;
          pO-作用在填料压盖的压紧力;
          K-填料的应力比值;
          d1-阀杆直径;
          d0-填料函孔径;
          s -填料长度;
          μ1-填料与阀杆间的动摩擦系数;
          μ2-填料与阀杆间的静摩擦系数;

    密封压力方程式分析以及结合实际应用可知:

    ●提高填料函和阀杆加工光洁度和表面精度十分重要,尽量不让压紧力pO过多衰减,使径向压力pr能够大于被密封的阀内压力,而光洁度不够就会使内摩擦加大,造成径向压力pr即密封力下降和密封性能变差。填料函和阀杆应采用表面抛光工艺提高光洁度,以及使用滚压技术提高表面硬度。
    ●合理设计填料函。填料函孔径和阀杆直径的比值d0/d1影响到径向压力,不同的制造商在实际应用中也有不同的相对于阀杆的直径比经验值。
    ●要选合适的填料长度,并不是越长越好,填料长度s的经验值为1.5倍阀杆直径。
    ●要考虑到填料的温度特性、形变以及磨损,如采用弹簧加载的设计来保证密封效果。
    ●填料函设计要合理。根据不同应用选择不同的填料函结构和填料材料,要利于使用和维护。

    填料函

    控制阀的填料函用于安放填料及相关部件,提供阀杆弹性动密封,防止阀内过程流体通过运动阀杆表面产生的泄漏。由于阀杆运动时有静摩擦力和动摩擦力,因此要求填料函结构设计满足摩擦力小和耐用性能好。图1是部分厂家直通单座控制阀的填料部分设计结构,也是最常见的结构。

    各厂家控制阀的填料函基本上都设计在上阀盖,但安放填料型式和填料压紧方法有不同。

(a)SAMSON 3241型控制阀

(b)FISHER GX型控制阀

(c)FISHER easy-E控制阀

(d)ARCA 08C控制阀    (e)山武Cv3000控制阀 

(f)本山20控制阀    (g)工装501T控制阀

图1 部分厂家直通控制阀填料设计结构

    控制阀模块化设计的填料压紧方式基本上是采用压紧力均匀的松套型式压紧螺丝,如SAMSON的240系列(图1a为240系列的3241型)、FISHER的GX型(图1b)、ARCA的08C(图1d)。

    SAMSON和ARCA都在压紧螺丝接触阀杆部位加有嵌入的防尘圈,既有刮垢作用又有密封作用。密封填料结构具有零部件通用性和数量少的特点,整体设计更加合理及效果更好一些。为了防止碳钢材料填料函的填料和阀杆之间的电化学腐蚀,则在填料函内加一不锈钢衬套。

    标准型式设计为装填一组不同车制成形的PTFE-V型填料环以及使用不锈钢弹簧加载提供预紧力。FISHER则是在压紧螺丝下设置一组弹簧片,透过导向套给填料提供压紧力。

    一些早期设计的控制阀(包括国产绝大多数控制阀)一般都采用压盖法兰、填料压盖、螺栓紧固的压紧结构,如FISHER的easy-E系列、山武、本山、工装等。这种结构部件数量较多且无通用性,也容易由于压盖法兰两侧螺栓紧固程度不同而调偏压盖致使偏磨阀盖和增加摩擦力。为此,一些厂家设计的压盖法兰和填料压盖以球面相接触,增加了加工难度和部件复杂性,效果并不十分理想。

    目前很多厂家设计的密封填料系统无需外加润滑,在厂内装配时一般给填料加有润滑脂。厂家标准类型控制阀的密封填料部件没有注油器或注油截止阀,或只留有丝堵封闭的注油接口,当有特别需求时再加装注油器等,并要求使用的是硅基润滑脂。

    填料

    填料的选择主要考虑是填料工作温度以及密封效果、摩擦力、使用寿命等。对填料的要求有:

    ●有一定的塑性,在压紧力作用下能产生一定的径向力并紧密与阀杆接触。
    ●有足够的化学稳定性。不污染介质,填料不被介质泡胀,填料中的浸渍剂不被介质溶解,填料本身不腐蚀密封面。
    ●自润滑性能良好,耐磨、摩擦系数小。
    ●当阀杆出现少量偏心时,填料应有足够的浮动弹性。
    ●制造简单、装填方便。

    所选用的填料可以是单一材质,如使用最为广泛的聚四氟乙烯(PTFE)或石墨(片状/丝状),也可以是复合材料,如PTFE-石墨、PTFE加丝、PTFE加碳化物、石棉-石墨等,以及PTFE加有碳化物和石棉的加强型PDR0.8、碳纤复合材料PEEK、乙缩醛ACETAL和超级聚乙烯UHMWPE。填料可制成环状(车制或压制)或丝状(编织)等。成形环状的填料,密封性能好,但装填麻烦一些。若是开口环,虽装填方便一些,但要对好缺口并对开放置,其密封效果也差一些。

    PTFE润滑性好,抗化学腐蚀性能好,有较低的摩擦系数和较宽的工作温度范围,一般用于230℃以下温度。通常制成V型环状,V型加工成形有60°(一般场合)和90°(高压场合)结构之分。在工作温度高于230℃时选用石墨填料,或选择加延长型阀盖。填料材料和型式的不同组合使其有更广泛的应用。

    图2为SAMSON 240系列标准型密封填料。压紧螺丝和耐腐蚀的不锈钢弹簧提供预紧力,为消除内部压力和不利于密封的形变,填料为一组5个形状、材料略有不同的V型环,中间是纯PTFE,上下为PTFE加碳化物,接触压紧螺丝的第一个V环上表面和接触垫片的第五个V环的下表面都加工为平面。压紧螺丝嵌入的除尘圈具有刮垢和密封作用,使用效果很好。密封填料几乎不需要维护,耐用性很好。

(a)240系列标准型密封填料    (b)250系列标准型密封填料

图2 SAMSON 控制阀标准型密封填料


    SAMSON的250系列(高压)标准型密封填料设计为两组(双重)与前述排列组合相同的V型填料,辅以四个金属套环、四个垫片和一个加载弹簧(图2 b)。口径不同,金属套环数量有所不同。对于大口径DN250-DN500的控制阀,其V型填料则选用PTFE加碳化物和PTFE加丝。适应部分工况而不使用弹簧加载时,是装填矩形截面的PTFE加丝的填料环替代弹簧的位置,压紧力仅由压紧螺丝进行调整。

    在细节上看,240系列的填料函是在一体化阀盖上的一个等径通孔,阀杆导向嵌入阀盖下部,密封填料的弹簧直接坐落在导向套的上平面,这样设计易于加工,而且零部件数量最少,整个密封填料系统除填料函和一组5个V型填料组合外仅有3个零件;250系列的填料函在独立阀盖内,最下端是一个金属套环,然后再装弹簧,部件数量也较少。

    在填料的选择上,SAMSON除了标准型密封填料外,还有适应不同工况的型式A(用于易结晶或聚合物)、型式B(无碳化物PTFE,用于易结晶或聚合物)、型式C(用于热酸、热碱)、型式D(无污染)、型式H(用于过热蒸汽)、型式S(用于氧气)等等。

(a)弹簧加载           (b)压盖压紧式

图3 FISHER EZ控制阀的密封填料

    图3为FISHER EZ控制阀的密封填料,这也是很典型的设计,很多厂家产品的此部件设计都类似于EZ。由于填料函钻孔加工原因,最下端要放置垫片。V型填料组的上下要有凹凸环适配,保证与上下部件平面接触。填料压盖与压盖法兰接触面加工成球面,并加有垫片,以使压盖法兰螺拴紧固时,能适应对中和压紧力传递均匀。在填料的选择上,FISHER也富有经验,PTFE-V型、PTFE/复合材料和石墨片/丝等,品种齐全,能满足各种工况需要,也采取一组或多组填料组合。这种设计的密封填料的部件数量略多一些,以有可比性的弹簧加载类型来看,除一组5个填料组合外,还有10个零部件(包括压盖法兰和紧固螺拴),而且阀盖上要钻两个带内螺纹的孔。

    结论

    从控制阀密封填料这个技术细节看,不同填料函和填料结构用于不同的工况,合理设计和选用填料函和填料结构可在所需的工况和复杂条件下达到密封目的。不同厂家的控制阀有各自的细节特点。每一部件的优化改进,增强通用性,提高可靠性以及功能安全和方便维护,就能够满足日益增长的用户需求和安全、环保要求。

    细节决定成败。以整体优化为出发点,多个考虑细致、创新技术、功能优化、质量可靠的细节就能组成应用方便、灵活、安全、用户易于接受并满意的控制阀产品。