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控制閥密封填料選型
點(diǎn)擊次數(shù):1404      更新時(shí)間:2017-09-21

控制閥密封填料選型 電動(dòng)控制閥密封填料選型 氣動(dòng)控制閥密封填料選型 手動(dòng) 控制閥密封填料材質(zhì) 壓力 流量

之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在介紹一個(gè)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量受到組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的影響,更取決zui薄弱環(huán)節(jié)的影響,控制閥雖然相對(duì)控制系統(tǒng)和過(guò)程儀表而言略顯簡(jiǎn)單,但在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制要求及安全性不斷提高的情況下,其必要性、重要性以及在回路中較高的故障頻次已引起業(yè)內(nèi)注意。
    控制閥的生產(chǎn)廠家眾多,造成控制閥品種多、規(guī)格多、參數(shù)多,質(zhì)量參差不齊。不同廠家的同類(lèi)型控制閥的設(shè)計(jì)差異、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情況如何?也是筆者近期關(guān)注的問(wèn)題,并開(kāi)始對(duì)控制閥做一些探討。現(xiàn)以部分控制閥為例,著重對(duì)目前在用量zui大、多數(shù)廠家都在生產(chǎn)的直通單座球形閥做一些細(xì)節(jié)分析。本文針對(duì)控制閥密封填料的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析探討。
    密封填料
    控制閥的密封填料由填料函部件和填料組成,是對(duì)閥桿運(yùn)動(dòng)的動(dòng)密封,是防止控制閥外漏、保證閥桿正常提升以及維持控制閥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性不可忽視的部件。在控制閥運(yùn)行中所有發(fā)生的故障統(tǒng)計(jì)中,密封填料泄漏故障率較高,甚至造成工藝系統(tǒng)停車(chē)或引發(fā)環(huán)境污染。
    密封填料的使用由來(lái)已久,一些機(jī)泵也使用填料作為靜、動(dòng)密封。密封填料部件易于加工、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格不高,也使部分廠商在控制閥設(shè)計(jì)和選用上對(duì)其考慮得少一些,細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不到位。隨著流程工業(yè)對(duì)控制要求和功能安全要求的不斷提高,對(duì)控制閥環(huán)保場(chǎng)合泄漏量的密封性能、動(dòng)密封的長(zhǎng)久性能和延長(zhǎng)檢維修周期的要求也不斷提高,使控制閥密封填料變得重要起來(lái)。如何設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、安全可靠的密封填料是國(guó)內(nèi)外多數(shù)制造商的議事日程。
    對(duì)于直通單座球形閥而言,密封填料也應(yīng)是關(guān)鍵點(diǎn)。關(guān)注控制閥的密封填料,涉及密封理論、填料函結(jié)構(gòu)、填料型式及其組合、應(yīng)用工況。


   密封理論
    密封填料的設(shè)計(jì)基于力比較、力平衡原理,使密封填料的密封力大于被密封的閥內(nèi)壓力(流體介質(zhì)的壓力)的作用力。
    根據(jù)填料密封時(shí)的壓力分布理論和各種密封填料實(shí)際工況測(cè)試,得出下列公式:
    
    式中:pr-填料的徑向壓力;
          pO-作用在填料壓蓋的壓緊力;
          K-填料的應(yīng)力比值;
          d1-閥桿直徑;
          d0-填料函孔徑;
          s -填料長(zhǎng)度;
          μ1-填料與閥桿間的動(dòng)摩擦系數(shù);
          μ2-填料與閥桿間的靜摩擦系數(shù);
    密封壓力方程式分析以及結(jié)合實(shí)際應(yīng)用可知:
    ●提高填料函和閥桿加工光潔度和表面精度十分重要,盡量不讓壓緊力pO過(guò)多衰減,使徑向壓力pr能夠大于被密封的閥內(nèi)壓力,而光潔度不夠就會(huì)使內(nèi)摩擦加大,造成徑向壓力pr即密封力下降和密封性能變差。填料函和閥桿應(yīng)采用表面拋光工藝提高光潔度,以及使用滾壓技術(shù)提高表面硬度。
    ●合理設(shè)計(jì)填料函。填料函孔徑和閥桿直徑的比值d0/d1影響到徑向壓力,不同的制造商在實(shí)際應(yīng)用中也有不同的相對(duì)于閥桿的直徑比經(jīng)驗(yàn)值。
    ●要選合適的填料長(zhǎng)度,并不是越長(zhǎng)越好,填料長(zhǎng)度s的經(jīng)驗(yàn)值為1.5倍閥桿直徑。
    ●要考慮到填料的溫度特性、形變以及磨損,如采用彈簧加載的設(shè)計(jì)來(lái)保證密封效果。
    ●填料函設(shè)計(jì)要合理。根據(jù)不同應(yīng)用選擇不同的填料函結(jié)構(gòu)和填料材料,要利于使用和維護(hù)。
 填料函
    控制閥的填料函用于安放填料及相關(guān)部件,提供閥桿彈性動(dòng)密封,防止閥內(nèi)過(guò)程流體通過(guò)運(yùn)動(dòng)閥桿表面產(chǎn)生的泄漏。由于閥桿運(yùn)動(dòng)時(shí)有靜摩擦力和動(dòng)摩擦力,因此要求填料函結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足摩擦力小和耐用性能好。圖1是部分廠家直通單座控制閥的填料部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),也是zui常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。
    各廠家控制閥的填料函基本上都設(shè)計(jì)在上閥蓋,但安放填料型式和填料壓緊方法有不同。

(a)SAMSON 3241型控制閥

(b)FISHER GX型控制閥

(c)FISHER easy-E控制閥

(d)ARCA 08C控制閥    (e)山武Cv3000控制閥 

(f)本山20控制閥    (g)工裝501T控制閥
圖1 部分廠家直通控制閥填料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
    控制閥模塊化設(shè)計(jì)的填料壓緊方式基本上是采用壓緊力均勻的松套型式壓緊螺絲,如SAMSON的240系列(圖1a為240系列的3241型)、FISHER的GX型(圖1b)、ARCA的08C(圖1d)。
    SAMSON和ARCA都在壓緊螺絲接觸閥桿部位加有嵌入的防塵圈,既有刮垢作用又有密封作用。密封填料結(jié)構(gòu)具有零部件通用性和數(shù)量少的特點(diǎn),整體設(shè)計(jì)更加合理及效果更好一些。為了防止碳鋼材料填料函的填料和閥桿之間的電化學(xué)腐蝕,則在填料函內(nèi)加一不銹鋼襯套。
    標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)為裝填一組不同車(chē)制成形的PTFE-V型填料環(huán)以及使用不銹鋼彈簧加載提供預(yù)緊力。FISHER則是在壓緊螺絲下設(shè)置一組彈簧片,透過(guò)導(dǎo)向套給填料提供壓緊力。
    一些早期設(shè)計(jì)的控制閥(包括國(guó)產(chǎn)絕大多數(shù)控制閥)一般都采用壓蓋法蘭、填料壓蓋、螺栓緊固的壓緊結(jié)構(gòu),如FISHER的easy-E系列、山武、本山、工裝等。這種結(jié)構(gòu)部件數(shù)量較多且無(wú)通用性,也容易由于壓蓋法蘭兩側(cè)螺栓緊固程度不同而調(diào)偏壓蓋致使偏磨閥蓋和增加摩擦力。為此,一些廠家設(shè)計(jì)的壓蓋法蘭和填料壓蓋以球面相接觸,增加了加工難度和部件復(fù)雜性,效果并不十分理想。
    目前很多廠家設(shè)計(jì)的密封填料系統(tǒng)無(wú)需外加潤(rùn)滑,在廠內(nèi)裝配時(shí)一般給填料加有潤(rùn)滑脂。廠家標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型控制閥的密封填料部件沒(méi)有注油器或注油截止閥,或只留有絲堵封閉的注油接口,當(dāng)有特別需求時(shí)再加裝注油器等,并要求使用的是硅基潤(rùn)滑脂。


填料
 上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有:截止閥,電動(dòng)截止閥填料的選擇主要考慮是填料工作溫度以及密封效果、摩擦力、使用壽命等。對(duì)填料的要求有:
    ●有一定的塑性,在壓緊力作用下能產(chǎn)生一定的徑向力并緊密與閥桿接觸。
    ●有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性。不污染介質(zhì),填料不被介質(zhì)泡脹,填料中的浸漬劑不被介質(zhì)溶解,填料本身不腐蝕密封面。
    ●自潤(rùn)滑性能良好,耐磨、摩擦系數(shù)小。
    ●當(dāng)閥桿出現(xiàn)少量偏心時(shí),填料應(yīng)有足夠的浮動(dòng)彈性。
    ●制造簡(jiǎn)單、裝填方便。


    所選用的填料可以是單一材質(zhì),如使用的聚四氟乙烯(PTFE)或石墨(片狀/絲狀),也可以是復(fù)合材料,如PTFE-石墨、PTFE加絲、PTFE加碳化物、石棉-石墨等,以及PTFE加有碳化物和石棉的加強(qiáng)型PDR0.8、碳纖復(fù)合材料PEEK、乙縮醛ACETAL和超級(jí)聚乙烯UHMWPE。填料可制成環(huán)狀(車(chē)制或壓制)或絲狀(編織)等。成形環(huán)狀的填料,密封性能好,但裝填麻煩一些。若是開(kāi)口環(huán),雖裝填方便一些,但要對(duì)好缺口并對(duì)開(kāi)放置,其密封效果也差一些。
    PTFE潤(rùn)滑性好,抗化學(xué)腐蝕性能好,有較低的摩擦系數(shù)和較寬的工作溫度范圍,一般用于230℃以下溫度。通常制成V型環(huán)狀,V型加工成形有60°(一般場(chǎng)合)和90°(高壓場(chǎng)合)結(jié)構(gòu)之分。在工作溫度高于230℃時(shí)選用石墨填料,或選擇加延長(zhǎng)型閥蓋。填料材料和型式的不同組合使其有更廣泛的應(yīng)用。
    圖2為SAMSON 240系列標(biāo)準(zhǔn)型密封填料。壓緊螺絲和耐腐蝕的不銹鋼彈簧提供預(yù)緊力,為消除內(nèi)部壓力和不利于密封的形變,填料為一組5個(gè)形狀、材料略有不同的V型環(huán),中間是純PTFE,上下為PTFE加碳化物,接觸壓緊螺絲的*個(gè)V環(huán)上表面和接觸墊片的第五個(gè)V環(huán)的下表面都加工為平面。壓緊螺絲嵌入的除塵圈具有刮垢和密封作用,使用效果很好。密封填料幾乎不需要維護(hù),耐用性很好。

(a)240系列標(biāo)準(zhǔn)型密封填料    (b)250系列標(biāo)準(zhǔn)型密封填料
圖2 SAMSON 控制閥標(biāo)準(zhǔn)型密封填料

    SAMSON的250系列(高壓)標(biāo)準(zhǔn)型密封填料設(shè)計(jì)為兩組(雙重)與前述排列組合相同的V型填料,輔以四個(gè)金屬套環(huán)、四個(gè)墊片和一個(gè)加載彈簧(圖2 b)。口徑不同,金屬套環(huán)數(shù)量有所不同。對(duì)于大口徑DN250-DN500的控制閥,其V型填料則選用PTFE加碳化物和PTFE加絲。適應(yīng)部分工況而不使用彈簧加載時(shí),是裝填矩形截面的PTFE加絲的填料環(huán)替代彈簧的位置,壓緊力僅由壓緊螺絲進(jìn)行調(diào)整。
    在細(xì)節(jié)上看,240系列的填料函是在一體化閥蓋上的一個(gè)等徑通孔,閥桿導(dǎo)向嵌入閥蓋下部,密封填料的彈簧直接坐落在導(dǎo)向套的上平面,這樣設(shè)計(jì)易于加工,而且零部件數(shù)量zui少,整個(gè)密封填料系統(tǒng)除填料函和一組5個(gè)V型填料組合外僅有3個(gè)零件;250系列的填料函在獨(dú)立閥蓋內(nèi),zui下端是一個(gè)金屬套環(huán),然后再裝彈簧,部件數(shù)量也較少。
    在填料的選擇上,SAMSON除了標(biāo)準(zhǔn)型密封填料外,還有適應(yīng)不同工況的型式A(用于易結(jié)晶或聚合物)、型式B(無(wú)碳化物PTFE,用于易結(jié)晶或聚合物)、型式C(用于熱酸、熱堿)、型式D(無(wú)污染)、型式H(用于過(guò)熱蒸汽)、型式S(用于氧氣)等等。

(a)彈簧加載           (b)壓蓋壓緊式
圖3 FISHER EZ控制閥的密封填料
    圖3為FISHER EZ控制閥的密封填料,這也是很典型的設(shè)計(jì),很多廠家產(chǎn)品的此部件設(shè)計(jì)都類(lèi)似于EZ。由于填料函鉆孔加工原因,zui下端要放置墊片。V型填料組的上下要有凹凸環(huán)適配,保證與上下部件平面接觸。填料壓蓋與壓蓋法蘭接觸面加工成球面,并加有墊片,以使壓蓋法蘭螺拴緊固時(shí),能適應(yīng)對(duì)中和壓緊力傳遞均勻。在填料的選擇上,F(xiàn)ISHER也富有經(jīng)驗(yàn),PTFE-V型、PTFE/復(fù)合材料和石墨片/絲等,品種齊全,能滿足各種工況需要,也采取一組或多組填料組合。這種設(shè)計(jì)的密封填料的部件數(shù)量略多一些,以有可比性的彈簧加載類(lèi)型來(lái)看,除一組5個(gè)填料組合外,還有10個(gè)零部件(包括壓蓋法蘭和緊固螺拴),而且閥蓋上要鉆兩個(gè)帶內(nèi)螺紋的孔。


結(jié)論
    從控制閥密封填料這個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)看,不同填料函和填料結(jié)構(gòu)用于不同的工況,合理設(shè)計(jì)和選用填料函和填料結(jié)構(gòu)可在所需的工況和復(fù)雜條件下達(dá)到密封目的。不同廠家的控制閥有各自的細(xì)節(jié)特點(diǎn)。每一部件的優(yōu)化改進(jìn),增強(qiáng)通用性,提高可靠性以及功能安全和方便維護(hù),就能夠滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求和安全、環(huán)保要求。
    細(xì)節(jié)決定成敗。以整體優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn),多個(gè)考慮細(xì)致、創(chuàng)新技術(shù)、功能優(yōu)化、質(zhì)量可靠的細(xì)節(jié)就能組成應(yīng)用方便、靈活、安全、用戶易于接受并滿意的控制閥產(chǎn)品。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥