高溫閥門填料研究與應用

閥門是現代工業中一種常見的機械產品。作為流體傳輸系統中的關鍵性控制部件，因其具有的截止、調節、穩壓、分流等功能，其主要應用于鍋爐、蒸汽管道、煉油、化工、火力以及冶金等領域。現代工業對閥門密封的可靠性提出了越來越高的要求，密封性能是評定閥門產品質量的一個重要技術指標。

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節之一。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，在長時間運行中閥門閥桿處容易出現泄漏，易燃易爆、劇毒等危險物的泄漏不僅會造成裝置停工和經濟損失，而且會引起環境污染，甚至人員傷亡事故，給裝置的運行帶來很大的風險。

　　一、閥門填料密封的原理

　　閥門的密封性能是評定閥門質量性能的一個重要指標。現在大部分的調節閥或者通用閥門閥桿和填料密封為接觸式密封，因其結構簡單、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象。填料之所以能起到密封的作用，其原理現在主要存在兩大密封觀點，分別是“軸承效應”和“迷宮效應”。

　　填料的“軸承效應”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，因為張力在閥桿的接觸面形成一層液膜，使填料和閥桿形成類似于滑動軸承的關系，這樣填料和閥桿就不會因為過度摩擦而出現磨損，同時因為液膜存在，填料和閥桿時刻處于密封狀態。

　　填料的“迷宮效應”則是指閥桿的表面平整程度無法達到微觀水平，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存在著極為微小的間隙，又因填料間的切口不對稱裝配，這些間隙一起形成了迷宮帶，介質在其中被多次節流、降壓，而達到密封的作用。

　　填料密封中的“迷宮效應”所指的閥桿的表面平整程度無法達到微觀水平，閥桿和填料間的微小間隙這是客觀存在的，無法消除，如果從這方面進行填料密封設計，往往效果不是很理想，而這是造成多空間泄漏或動力泄漏的基本條件。密封介質通過填料和閥桿泄漏機理有很多形式：腐蝕間隙泄漏機制、多孔泄漏機制、動力泄漏機制等。本文對于高溫工況下的閥門填料密封結構的改進設計是基于上述多種泄漏機制，提出切實可行的改進方案。

　　二、目前常見的填料類型以及應用場合

　　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，再經過捻線，編強織成盤根.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，和有強腐蝕性介質的閥門、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穿心編織而成。膨脹石墨盤根具有良好的自潤滑性及導熱性，摩擦系數小，通用性強，柔軟性好，強度高，對軸桿有保護作用等優點。

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

　　3、增強型石墨盤根

　　增強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的純膨脹石墨線編織而成。具有膨脹石墨的各項特性，而且通用性強，柔軟性好，強度高。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，實際生產過程中還會遇到針對特殊工況研發的其他種類填料盤根。例如較好耐化學性的芳綸纖維盤根；適合高負荷旋轉軸的芳綸碳纖維混編制盤根等等，本文限于篇幅，就不一一詳細介紹。

　　三、常見閥門填料結構和選擇

　　常見的閥桿填料密封結構主要有壓板、壓蓋、隔套、填料等組成。為了達到良好的密封效果，一般要求填料具有組織致密，化學穩定性好，摩擦系數低等特點。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，廣泛用于石油、化工、制藥等領域。

　　在200°到450°溫度工況下，石墨盤根因具有耐高溫、自潤滑、低摩擦系數等特點，被廣泛選用。石墨盤根根據用途已研制出各種分類，在實際應用中，填料可根據實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、高壓可選擇增強型石墨盤根或者兩者組合使用。

　　四、高溫閥門填料結構外漏分析

　　在高溫工況下，如選用石墨盤根密封結構，很容易出現外漏情況。經分析原因如下：

　　石墨盤根裝入填料函內，通過填料壓蓋上緊固螺栓松緊來施加對填料的軸向壓力。由于填料具有一定程度的可塑性，受軸向壓力后產生徑向壓力和微變形，內孔與閥桿緊密貼合，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壓力是不均勻的。直接導致兩部分填料塑性變形不一致，容易出現填料與閥桿的局部密封過度或者密封不足，同時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，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外漏的主要原因。

　 五、高溫閥門填料結構的改進設計

　　高溫工況下的閥門填料 容易出現外漏的情況，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、回彈系數高，但缺點是易碎、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；增強型石墨盤根因含有鎳絲等，結實抗擠壓，故可以安裝在頂部和底部。

　　雖然利用膨脹石墨和增強型石墨盤組合解決部分高溫下填料外漏的情況。但是對于閥門動作比較頻繁的工況，石墨盤根磨損率比較高，使用一段時間后需要人工緊填料函上的緊固螺栓，對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，我司結合國內外文獻以及經驗的積累近年來研制一種補償性的閥門填料結構，特別針對高溫低壓、以及高溫高壓的不同工況，針對性的開發不同的高溫填料結構，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，采用特制補償性圈形彈簧和組合式石墨盤根相結合。

　　工況壓力不高故取消填料隔套，填料函底部加入特制補償性圈形彈簧，安裝時需緊固螺栓預加一定的預緊力。即使石墨填料和閥桿出現摩擦性磨損，圈形彈簧能即時作出相應的補償性調節，保證閥門發生外漏情況。

　　高溫高壓型，這是一種 的填料系統，采用碟形彈簧和圈形彈簧外置雙補償結構，能夠避免溫度過高使彈簧失效的優點，尤其在高溫、高壓情況下極端工況下，某處補償點失效，另一組補償依然有效，兩者不干涉，單獨補償但同時對填料起作用。碟形彈簧的封閉性也有利于在惡劣戶外條件下使用，兩處補償點的外置結構也有利于更換，無需拆卸整個填料函，大大提高效率以及方便操作。經過長期用戶跟蹤，此類型填料結構對于高溫、高壓下的閥桿密封防止防止外漏效果明顯，使用壽命長。

　　六、結束語

　　在實際使用工況中，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、選擇以及密封結構，特別是高溫情況下的填料密封結構以及對應高、低壓的不同選擇，重點介紹了高溫下 的補償性填料密封結構以及原理。填料密封沒有一勞永逸的密封結構，根據實際工況，選擇合適的填料類型和對應的密封結構才能 大限度的保證密封性能和使用壽命。