閥門填料失效分析與結構改進

武興廣，岑進肖，余朝中

(浙江力諾流體控制科技股份有限公司，浙江 瑞安 325200)

閥門是石油化工、煤化工、精細化工等行業(yè)中最重要的終端控制元件之一，尤其針對有毒、腐蝕、易燃易爆等介質(zhì)的控制中，是不可或缺的組件，而閥門的密封全部依靠填料與閥桿及填料函的相互密封來實現(xiàn)。由此可見，填料密封的好壞對閥門的安全運行起著至關重要的作用。

1 球閥填料密封的失效

應用于內(nèi)蒙古某公司的軟密封和硬密封的開關球閥，在裝置開車時，發(fā)現(xiàn)閥門的填料與閥桿、填料與填料函結合處出現(xiàn)輕微的外漏，填料函位置的泄漏多數(shù)與閥桿表面、填料函內(nèi)孔的粗糙度(光潔度)有關[1]，現(xiàn)場儀表人員及時將填料做了預緊，但是發(fā)現(xiàn)效果不明顯。該類閥門有30多臺，考慮到介質(zhì)為氯硅烷，具有易燃易爆的特性，為了保證現(xiàn)場裝置的安全運行，該公司將現(xiàn)場出現(xiàn)該類問題的閥門全部做了下線處理。閥門供應商及時到達現(xiàn)場并對下線的開關球閥進行了拆卸處理，便于查看填料函、閥桿、填料結構及其表面的情況，并依據(jù)現(xiàn)場的情況分析、查找出現(xiàn)介質(zhì)外漏問題的原因，開關球閥結構形式如圖1所示。

圖1 開關球閥結構形式示意

2 介質(zhì)外漏的原因分析

通過仔細查看開關球閥的填料、閥桿、填料函等部件，并與現(xiàn)場技術人員做了詳細溝通，分析出引起閥門填料函出現(xiàn)外漏可能存在以下幾種原因：介質(zhì)與填料的相容性；閥桿的光潔度；填料函內(nèi)壁的光潔度；填料的密封比壓。從上述四個方面做出分析和梳理，確定導致填料函外漏的主要原因，針對原因做出修改，保證閥門的正常使用，減少影響裝置安全運行的風險因素。

2.1 介質(zhì)與填料的相容性

經(jīng)過與現(xiàn)場工藝技術人員的溝通和交流，了解到流經(jīng)該類閥的介質(zhì)為氯硅烷(三氯氫硅、四氯化硅混合物)，未含有其他成分，介質(zhì)對選用的聚四氟乙烯(PTFE)填料密封沒有腐蝕性，除氧氣、融熔狀金屬、高溫三氟化氯及氟元素[2]、核電工況外，其他介質(zhì)的工況均可以選用PTFE填料密封。

2.2 閥桿光潔度分析

采用PTFE密封填料，閥桿的光潔度不夠會使密封性能下降，造成泄漏量的增大[3]。查看現(xiàn)場的閥門拆解后的閥桿，經(jīng)過清洗后，表面光滑，光潔度高，通過檢測閥桿的光潔度高于12級(粗糙度為Ra=0.04)，完全符合密封要求，排除閥桿光潔度的因素。

2.3 填料函內(nèi)壁的光潔度分析

經(jīng)過對閥桿的分析后，進一步檢測填料函內(nèi)壁的光潔度達到7級(Ra=1.6)，球閥在旋轉過程中填料與填料函屬于靜密封，PTFE填料屬于軟質(zhì)填料，易于變形，對表面的粗糙度不敏感，經(jīng)過技術人員對光潔度的確認，填料函目前的光潔度滿足密封的要求。

2.4 填料的接觸面密封比壓分析

通過排除法分析介質(zhì)與填料相容性，閥桿和填料函內(nèi)壁的光潔度滿足密封的要求，并參考了現(xiàn)場技術人員的反饋，當填料發(fā)生泄漏后，對填料做出了預緊處理，但是問題依然沒有解決，考慮到開關球閥是新采購的，不存在填料失效的問題。推測填料與閥桿以及填料與填料函內(nèi)壁的密封比壓不足是引起介質(zhì)外漏的原因。填料密封比壓指的是作用于單位密封面上的平均正壓力[4]，密封比壓的大小是影響墊片或填料密封性的重要因素。通常裝配時在填料壓蓋上面施加預緊力在填料密封面上產(chǎn)生一定比壓，使密封填料產(chǎn)生變形，通過填料的變形來填滿與閥桿接觸面間的微小縫隙，流體通過這些縫隙的路徑越長，則流阻損失也越大，密封性能也越好。因此，提高填料與閥桿及填料函的密封比壓方法，使填料與閥桿以及填料與填料函密封處的最小密封比壓大于介質(zhì)的壓力，就可以提高密封效果。

3 解決填料函外漏的方法

在不改變現(xiàn)場開關球閥填料函結構和閥桿的前提下，結合現(xiàn)場維修經(jīng)驗，對填料結構進行調(diào)整?，F(xiàn)場該類問題閥門均采用PTFE填料，摩擦系數(shù)小，對各種化學介質(zhì)、酸、堿等流體都有很好的密封性和適用性。按照填料密封時的壓力分布理論得知：填料壓蓋在施加給填料預緊力的過程中，真正起到密封力的只有最上面的1～2層填料，因為第一層填料在受到壓蓋的預緊力后產(chǎn)生軸向變形，填料在預緊力作用下再發(fā)生徑向變形，填料與閥桿及與填料函內(nèi)壁發(fā)生擠壓而變形，最終填料與閥桿及填料函內(nèi)壁形成密封，預緊力在填料密封過程中逐層消耗不斷地減小，最下面的填料受力越少，變形越小，同時密封性也就越差。閥門填料的壓力分布如圖2所示[5]。

圖2 填料的壓力分布示意

真正起到密封的，只有填料函上部的1～3層填料[6]。尤其是PTFE軟填料密封，進入密封間隙的介質(zhì)壓力根據(jù)介質(zhì)種類和壓力大小的不同，呈現(xiàn)拋物線或對數(shù)曲線規(guī)律分布，介質(zhì)壓力最大處，填料的徑向壓力最小，為了使底層填料的密封比壓等于或超過介質(zhì)壓力而提升密封性，目前可以通過增加填料壓蓋的壓緊力或針對填料做出結構調(diào)整，使其徑向密封力提升[7]?，F(xiàn)場采用填料結構調(diào)整措施，將原有的V型填料底部修改為U型填料后，在填料壓蓋的預緊力作用下，進一步釋放了填料的變形能力，提高填料的徑向密封壓力。改進前后的填料型式對比如圖3所示。

圖3 改進前后的填料型式對比示意

根據(jù)填料密封時的壓力分布理論和U型填料的性能測試，得出填料的徑向壓力，即主密封壓力[8]計算如式(1)～式(2)所示：

(1)

(2)

式中：pr——填料徑向壓力，MPa；p0——填料壓蓋處壓力，MPa；d1——閥桿直徑，m；d0——填料函孔徑，m；S——填料函深度，m；μ1——填料與閥桿間的動摩擦系數(shù)，取值為0.04[8]；μ2——填料與壓蓋間的靜摩擦系數(shù)，取值為1；pi——介質(zhì)的壓力，MPa；K——填料的柔軟性系數(shù)，取值為0.6[8]；μUC——填料與軸表面，填料與填料腔內(nèi)壁的摩擦系數(shù)，取值為0.04；h——填料的厚度，外徑-內(nèi)徑后的尺寸，m，取值為0.006 m。

由(2)式可知，壓蓋的預緊力與介質(zhì)的壓力成正比，同時，當K值越小，接觸寬度越大，以及h很小時，壓蓋的預緊力就越大。

以實際工況參數(shù)為例，介質(zhì)表壓壓力為0.7 MPa，閥桿直徑為32 mm，填料函孔徑為39 mm，代入式(1)和式(2)計算，得到填料與閥桿及填料函的徑向密封力為p0=1.014 8 Mpa，p1=7.888 MPa。

經(jīng)過填料密封力的核算，填料的徑向密封力遠大于介質(zhì)的內(nèi)壓力，而且徑向密封壓力遠小于PTFE無滑動摩擦的許用比壓17.5 MPa和有滑動摩擦的許用比壓8.75 MPa[9]，更小于閥體材料WCB的屈服強度250 MPa[10]，按照上述分析和計算的結果，將出現(xiàn)外漏問題的開關球閥填料做結構調(diào)整，全部更換為U型結構的PTFE填料。

考慮到開關球閥在使用過程中由于填料磨損或應力松弛等因素，容易造成填料密封比壓的下降，引起填料函處介質(zhì)的外漏，因此在填料壓蓋下方增加了碟形彈簧的預緊措施[11]，既保證了填料足夠的預緊力，又有效地增加了密封比壓，降低了現(xiàn)場儀表人員對填料位置的維護量，確保填料函密封可靠。碟簧安裝如圖4所示。采用U型填料后，經(jīng)過一年多的安全運行，后續(xù)再沒有出現(xiàn)填料函外漏的問題，該方案的實施有效解決了開關球閥介質(zhì)外漏的問題，滿足了實際工況的需求。

圖4 碟簧安裝示意

4 結束語

通過對閥桿結構，填料函的光潔度，填料與閥桿、填料與填料函內(nèi)壁的密封比壓的分析和推導，找到開關球閥填料部位介質(zhì)外漏的原因，經(jīng)過填料密封壓力的核算調(diào)整了開關球閥填料的結構，并在填料壓蓋下增加碟簧等措施，使填料與閥桿、填料與填料函的內(nèi)壁形成良好的密封，解決了開關球閥在運行過程中出現(xiàn)的泄漏問題，為裝置長周期安全運行提供了保障。