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。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，發現閥門的填料與閥桿、填料與填料函結合處出現輕微的外漏，填料函位置的泄漏多數與閥桿表面、填料函內孔的粗糙度(光潔度)有關[1]，現場儀表人員及時將填料做了預緊，但是發現效果不明顯。該類閥門有30多臺，考慮到介質為氯硅烷，具有易燃易爆的特性，為了保證現場裝置的安全運行，該公司將現場出現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，并依據現場的情況分析、查找出現介質外漏問題的原因，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，并與現場技術人員做了詳細溝通，分析出引起閥門填料函出現外漏可能存在以下幾種原因：介質與填料的相容性；閥桿的光潔度；填料函內壁的光潔度；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 介質與填料的相容性

經過與現場工藝技術人員的溝通和交流，了解到流經該類閥的介質為氯硅烷(三氯氫硅、四氯化硅混合物)，未含有其他成分，介質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]。查看現場的閥門拆解后的閥桿，經過清洗后，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 填料函內壁的光潔度分析

經過對閥桿的分析后，進一步檢測填料函內壁的光潔度達到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填料屬于軟質填料，易于變形，對表面的粗糙度不敏感，經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與填料相容性，閥桿和填料函內壁的光潔度滿足密封的要求，并參考了現場技術人員的反饋，當填料發生泄漏后，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壁的密封比壓不足是引起介質外漏的原因。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生一定比壓，使密封填料產生變形，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

在不改變現場開關球閥填料函結構和閥桿的前提下，結合現場維修經驗，對填料結構進行調整。現場該類問題閥門均采用PTFE填料，摩擦系數小，對各種化學介質、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生軸向變形，填料在預緊力作用下再發生徑向變形，填料與閥桿及與填料函內壁發生擠壓而變形，最終填料與閥桿及填料函內壁形成密封，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壓力根據介質種類和壓力大小的不同，呈現拋物線或對數曲線規律分布，介質壓力最大處，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整，使其徑向密封力提升[7]。現場采用填料結構調整措施，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，取值為0.04[8]；μ2——填料與壓蓋間的靜摩擦系數，取值為1；pi——介質的壓力，MPa；K——填料的柔軟性系數，取值為0.6[8]；μUC——填料與軸表面，填料與填料腔內壁的摩擦系數，取值為0.04；h——填料的厚度，外徑-內徑后的尺寸，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。

以實際工況參數為例，介質表壓壓力為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。

經過填料密封力的核算，填料的徑向密封力遠大于介質的內壓力，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，將出現外漏問題的開關球閥填料做結構調整，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，經過一年多的安全運行，后續再沒有出現填料函外漏的問題，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、填料與填料函內壁的密封比壓的分析和推導，找到開關球閥填料部位介質外漏的原因，經過填料密封壓力的核算調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、填料與填料函的內壁形成良好的密封，解決了開關球閥在運行過程中出現的泄漏問題，為裝置長周期安全運行提供了保障。