石墨填料摩擦磨損與密封性能試驗研究

彭川桃 張 健 周忠云 郝嬌山 蔣啟斌 常露丹 楊 瑞

(1.重慶川儀調節閥有限公司 重慶 400707；2.重慶川儀自動化股份有限公司調節閥研究所 重慶 400707；3.浙江國泰蕭星密封材料股份有限公司 浙江杭州 310014)

填料密封主要用于旋轉軸或往復軸的徑向接觸密封，是流體過程控制裝備產生外漏的重點風險之一。其中，柔性石墨填料具有優異的耐高低溫、抗熱震抗輻射、耐腐蝕、自潤滑性及摩擦因數低等特點[1]，廣泛應用于工業閥門特別是控制閥中。對于控制閥而言，使用過程中常出現閥桿啟動摩擦力大、開關動作卡澀或抱死、填料磨損加速、泄漏率超標等情況，導致其控制性能惡化或工作壽命驟減，進而嚴重影響流程工業控制系統的安全運行。因此，石墨填料的低摩擦和低泄漏是控制閥健康穩定運行的重要保障。為此，研究人員圍繞填料的力學、結構、材料等開展了大量理論分析與試驗研究。陳鳳官等[2]分析指出，在填料密封系統中，填料研究需結合閥門制造安裝、現場服役等因素進行全面分析，且應重視閥桿的摩擦力學指標。劉國山[3]通過研究菱形花紋面與光滑表面石墨填料的摩擦磨損特性，發現前者在低速低負載狀態下的摩擦狀態更好，更適合用于閥門閥桿密封。周杰等人[4]考慮填料磨損多為黏著磨損，將填料徑向應力代入阿查德磨損率方程建立了端蓋預緊力對密封介質泄漏率和填料磨損率的映射關系模型，并通過實驗數據對模型準確性進行了修正。KIM等[5]通過對核電平衡截止閥的靜態摩擦診斷試驗，修正了填料摩擦因數與填料應力分布的計算模型，有助于在執行機構配置時保持精確的裕量。陳如木等[6]提出一種梯度過盈填料組合，通過理論模型與仿真試驗，證明適度的梯度過盈可有效改善填料徑向壓力的分布，減小摩擦力增加閥桿機動性。劉匯源等[7]從柔性石墨填料的材料出發，闡述了含硫量、浸漬阻蝕劑、密度與壓縮率控制等幾方面對填料密封性能的影響規律。肖光凱等[8]基于仿真與試驗混合標定，研究了石墨環密度對其側壓系數、軸向力傳遞率與壓縮回彈特性的影響，對石墨填料的設計選型工作提供了指導。孔建等人[9]研究了不同柔性石墨填料在泵閥中的受力和磨損情況，并對軸桿表面粗糙度、徑向直徑擺動度提出具體要求。勵行根等[10]通過試驗研究，認為具有密度梯度的石墨環填料性能優于等密度石墨環填料，并給出等密度石墨組合填料的推薦使用密度為1.5 g/cm3。余宏兵等[11]設計一種旋轉閥門填料試驗裝置，模擬不同介質、溫度及閥桿回轉的工況，間接測量了柔性石墨填料的徑向比壓系數，并得出旋轉閥的最佳軸向預緊力。

盡管目前石墨填料的研究十分廣泛，但重點關注的是填料本身性能參數，未對整個控制閥系統進行綜合評價，且試驗裝置存在較多假設與簡化，與實際工況有偏差，關于石墨填料在閥門系統上的應用研究尚欠缺。本文作者采用控制閥整機填料綜合試驗系統，在常規直筒型填料箱結構上，研究不同組合石墨填料試樣的摩擦磨損特性與密封性能，優化并驗證填料壓板的擰緊扭矩，為控制閥填料設計與選型提供理論與試驗依據。

1 試驗部分

1.1 組合石墨填料試樣

1.2 填料綜合試驗系統

石墨填料的摩擦磨損與密封性能試驗研究在如圖2所示的綜合試驗系統上完成。該系統由5臺控制閥整機改造而成，驅動裝置采用HV21SR5型單作用氣動執行器，通過氣源調節裝置實現執行器的推進與復位，牽引閥桿做往復直線運動并記錄往返頻次。試驗中石墨填料對閥桿的摩擦力測量通過采集閥桿表面軸向應變數據的非侵入研究方法[13]獲得，磨損情況通過對比試驗前后的試樣質量獲得。填料箱位置的密封性能試驗以壓力0.6 MPa、純度99%(體積分數)以上的氦氣作為測試介質，通過真空泵系統將泄漏氣體吸入氦質譜儀進行測量。組合石墨填料試樣安裝于上閥蓋的填料箱內，填料的軸向載荷可通過調整填料壓板螺母的擰緊扭矩進行調節。

圖2 控制閥整機改造的填料綜合試驗系統

1.3 試驗方法

研究填料變量對摩擦磨損及密封性能的影響，首先需要固定試驗中的螺母擰緊扭矩變量。試驗閥門的擰緊扭矩通過石墨填料的必須軸向壓緊力[2]和螺栓扭矩與力的轉換方程進行計算，分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

M=mFd0S/n

(2)

式中：F為必須軸向壓緊力；p為介質壓力；K為填料側壓系數；μ為填料摩擦因數；h為填料壓縮后高度；B為填料徑向寬度；M為螺栓擰緊力矩；m為擰緊力矩系數；d0為螺紋直徑；S為安全系數；n為螺栓數目。

試驗所用的閥門磅級為Class300，故p=5 MPa。通過仿真與試驗混合標定法[8]測得試樣的K≈0.78，查資料μ取0.16。壓縮后高度h設計為45 mm，B=7 mm。由于螺紋表面鍍鋅且無潤滑條件，所以m取0.24，d0=10 mm，n=2，S保守取1.8。將以上數據代入式(1)與式(2)的聯合方程，得到試驗用擰緊扭矩M≈30 N·m，對應的軸向壓力σ≈25 MPa。

試驗中的閥門應保證閥桿粗糙度≤0.4 μm、填料箱粗糙度≤1.6 μm、二者同軸度≤0.05 mm。安裝石墨填料試樣時，采用工裝進行適度預壓，然后垂直于填料箱依序、完整地裝入，并使用扭矩扳手將螺母逐步加載至擰緊扭矩M。同時檢查執行器支架孔與上閥蓋的聯接處，不允許出現推桿與閥桿的不對中現象。試驗閥門單向行程L=14.3 mm，往復周期T=8 s，循環動作次數N=8 000。測量填料對閥桿的摩擦力時，閥桿動作瞬間的應變峰值是其啟動靜摩擦力，閥桿勻速運動的平均應變值是其滑動摩擦力，每組試樣重復測試3次取平均值，降低測量誤差的影響。檢測填料試樣的泄漏率時，需提前5 min打開氦質譜儀與檢漏氣源，使氦氣注入試驗系統，手持負壓嗅探槍貼近填料壓蓋與閥桿的間隙進行檢漏。檢漏記錄時，閥桿靜態漏率可忽略，以閥桿動態漏率的峰值作為當前循環動作次數下的實測漏率。

2 試驗結果及分析

2.1 填料動態摩擦特性

2.1.1 截面形式對動態摩擦特性的影響

圖3所示為錐形、V形與菱形3種截面形式石墨填料試樣在試驗初期(N≈1)、中期(N≈4 000)和后期(N≈8 000)3T內的閥桿摩擦力動態監測結果。圖中，正摩擦力區間為閥門動作關，閥桿向下運動；負摩擦力區間為閥門動作開，閥桿向上運動；其中的峰值為閥桿的最大靜摩擦力即啟動摩擦力fs，相對平緩的低摩擦力區間為閥桿動作行程中的滑動摩擦力fm。

圖3 不同截面形狀石墨填料的閥桿摩擦力動態監測結果

由圖3(a)可知，在N≈1附近的閥關動作中，錐形填料的閥桿啟動摩擦力fs存在短時的震蕩波動現象，原因是錐形填料在初期的軸向應力分布不均，靠近端蓋一側的填料應力過大，增大了閥桿的摩檫力，使得閥門動作遲滯而產生震蕩。摩擦力的不穩定也將導致閥門自身穩定性較差，輕則引起閥門調節精度的下降，嚴重時會引起閥門附件的松動甚至造成閥桿的斷裂。

圖3(c)中的菱形截面試樣未出現啟動摩擦力震蕩波動現象，說明在其他因素一致情況下，菱形截面石墨填料的軸向應力分布更均勻。從填料結構分析，菱形截面的填料與閥桿接觸面積更大，流動于閥桿與填料間隙的石墨顆粒更多，當閥桿動起來后石墨的自潤滑作用相對更明顯。

圖3(b)中的V形截面試樣在密封初期具有相似的摩擦力動態表現，形成機制一致。

如圖3所示，在閥桿動態摩擦力趨于穩定的曲線中(N≈4 000、N≈8 000)，3種截面形式均未出現啟動摩擦力震蕩波動現象，說明隨著動作次數增加，閥桿微觀表面捕捉的石墨顆粒增多，閥桿摩擦狀況得到改善。同時對比閥關與閥開的滑動摩擦力fm，發現閥桿向下閉合的摩擦力較向上打開的更大，即fm(c)>fm(o)，這與KIM等[5]發現的閥關時填料徑向應力系數更大的結論一致。

2.1.2 組合方式對動態摩擦特性的影響

圖4所示為兩端式與交替式2種組合方式石墨填料試樣在試驗前、中、后期3階段的閥桿摩擦力動態監測結果，數據記錄方式與圖3相同。其中2種試樣在3個階段的摩擦力水平均呈規律遞減，特別是圖4(b)中交替式組合的3條曲線重合度較高，表明交替式組合方式在填料預緊力抗松弛方面明顯優于兩端式。在同等預緊力條件下，交替式組合石墨填料通過中部盤根環的應力增強作用，使得填料徑向應力沿軸線方向分布更加均勻，區別于兩端式中呈指數遞減的規律，減緩了靠近填料壓蓋一側的閥桿表面的摩擦磨損。對比圖4(a)與圖4(b)中的摩擦力水平，以N≈4 000時的閥關過程為例，前者的fs=3 055.2 N，后者的fs=1 939.5 N，說明中部盤根在改善徑向應力分布的同時降低了摩擦力，其原因是盤根環對閥桿起到刮垢作用并削弱潤滑石墨顆粒的逃逸能力[14]。

圖4 不同組合方式石墨填料的閥桿摩擦力動態監測結果

2.2 閥桿啟動摩擦力對比

2.2.1 截面形式對閥桿啟動摩擦力的影響

錐形、V形與菱形石墨填料的啟動摩擦力隨閥門動作次數的關系如圖5所示，顯然3種截面試樣的fs隨著N的增加均出現一定程度下降。其中錐形試樣在N<3 000以內降幅最大，從初始的fs=2 613 N降至2 065 N后趨穩；V形試樣與菱形試樣僅在試驗中期出現小幅下降，說明二者的啟動摩擦相對更穩定，且前者初始fs=2 191 N，后者初始fs=1 918 N，均小于同時期的錐形試樣。因此，在控制閥的執行器動力配置問題上，錐形截面石墨填料的要求最高，其次是菱形截面，最低的是V形截面。

圖5 不同截面形式石墨填料的啟動摩擦力變化曲線

2.2.2 組合方式對閥桿啟動摩擦力的影響

兩端式與交替式石墨填料的啟動摩擦力變化規律如圖6所示，可見在整個試驗周期內兩者均呈平緩下降趨勢，但相同條件下兩端式組合填料的啟動摩擦力明顯高于交替式組合填料。其中前者的初始fs=3 517 N，后者的初始fs=2 331 N，證明中部盤根(如圖1(e)所示)使石墨填料套件的啟動摩擦力下降35%。因此在不改變平形截面的條件下，交替式的組合填料可有效降低閥門執行器的配型，同時較低的摩擦也可延長填料組件的工作壽命。

圖6 不同組合方式石墨填料的啟動摩擦力變化曲線

2.3 閥桿滑動摩擦力對比

2.3.1 截面形式對閥桿滑動摩擦力的影響

如圖7所示為不同截面石墨填料的滑動摩擦力變化曲線。可見菱形截面的fm<1 200 N，明顯低于另外2種試樣，說明菱形石墨填料的滑動摩擦狀態最佳；錐形截面與V形截面相比，前者的fm呈上升趨勢，說明其摩擦狀態在惡化，而后者恰好相反，究其原因是緊密排布的V形環與閥桿形成多個局部高應力接觸環面[15]，導致初期的滑動摩擦力大；但是V形環填料結構存在較多的間隙(如圖1(b)所示)，隨著閥桿動作，該間隙將產生微弱氣流，有助于潤滑石墨粉的吸附作用，降低填料滑動摩擦因數。因此，為降低滑動摩擦力對閥門位置控制精度、動作靈敏性的影響，應優先選擇菱形截面，其次為V形截面。

圖7 不同截面形式石墨填料的滑動摩擦力變化曲線

2.3.2 組合方式對閥桿滑動摩擦力的影響

如圖8所示為兩端式與交替式石墨填料的滑動摩擦力變化曲線，可見前者的fm高于后者，說明交替式組合石墨填料能有效降低閥桿滑動摩擦力，提高控制閥的靈敏度與穩定性。其中在N≤2 000時，兩者滑動摩擦力出現小幅上漲，說明隨著循環次數增加，石墨的自潤滑性變差；而隨著閥桿繼續動作，填料的磨損加劇導致填料應力松弛，滑動摩擦力呈明顯下降趨勢。因此在控制閥動作頻次較快或高溫工況時，應在填料函設計潤滑劑導入孔，通過注油注脂減小摩擦降低填料損耗。

圖8 不同組合方式石墨填料的滑動摩擦力變化曲線

2.4 填料磨損特性對比

經過8 000次循環動作后，不同填料試樣的磨損量與磨損率情況如圖9所示。可見不同截面形式的3組試樣的磨損量均低于不同組合方式的2組試樣，原因是后者的主體密封環是平形環(如圖1(d)所示)，相對其他截面形式具有更高的摩擦力。圖中的磨損率與磨損量變化趨勢基本一致，且與2.3節的滑動摩擦力變化情況相符合，說明填料的磨損狀況與滑動摩擦力正相關。5種試樣中，V形截面試樣的磨損率最低，菱形截面試樣次之，兩端式組合試樣的磨損率最高。

圖9 不同石墨填料試樣的磨損對比

考慮到摩擦磨損會增大填料與閥桿的間隙，縮短二次預緊時間并加劇填料密封失效，不同截面形式的石墨填料性能更具優勢。

2.5 填料函密封性能對比

2.5.1 截面形式對填料泄漏率的影響

不同截面形式3組試樣的泄漏率曲線如圖10所示。可見壽命試驗初期(N≤2 000)的泄漏率變化較小，均小于1×10-8Pa·m3/s；隨著N的增加，泄漏率呈上升趨勢，并在試驗后期(N≥6 000)趨于穩定不變。3種不同截面形式試樣中，V形截面與菱形截面試樣的泄漏率變化趨勢基本一致，而且泄漏率都低于同相同條件下的錐形截面試樣，說明V形與菱形試樣的密封特性相近，且優于錐形截面試樣。當N=8 000時，錐形截面試樣的泄漏率為2.1×10-6Pa·m3/s，V形截面試樣的泄漏率為1.9×10-7Pa·m3/s，菱形截面試樣的泄漏率為4.8×10-8Pa·m3/s，可見循環動作試驗后，錐形截面試樣的漏率比其他截面形式試樣高1～2個數量級。綜合來看，錐形石墨填料的泄漏率最高，且在壽命方面最先可能發生密封失效；V形與菱形截面石墨填料的泄漏率曲線相近，其中后者的泄漏率最低，密封性能最好。

圖10 不同截面形式石墨填料的泄漏率變化

2.5.2 組合方式對填料泄漏率的影響

不同組合方式2組試樣的泄漏率曲線如圖11所示。當動作次數N≤2 000時，二者泄漏率較低且相近，說明試驗初期交替式與兩端式組合試樣的密封性能較好。隨著循環次數增加，特別是在2 000≤N≤5 000區間，兩端式組合試樣的泄漏率呈對數上升，由1.1× 10-9Pa·m3/s上升為5.3× 10-6Pa·m3/s，而交替式組合試樣的泄漏率呈線性增長，由3.8× 10-9Pa·m3/s上升為6.2×10-7Pa·m3/s，說明這個區間是石墨填料劇烈磨損的階段，由于石墨顆粒的磨損流失導致填料與閥桿間隙增大，從而引起泄漏率的攀升。在N≥6 000的試驗后期，交替式組合試樣的漏率穩定于1.1×10-6Pa·m3/s，兩端式組合試樣的漏率穩定于2.0×10-5Pa·m3/s，前者優于后者1個數量級。結合圖10中不同截面試樣的數據，分析可知兩端式組合方式的石墨填料泄漏率最高。因此，通過設計改變填料截面形式可以有效改善石墨填料的密封性能，當條件不允許改變截面時，通過中部盤根環改善徑向應力分布的交替式組合方式就成為提升石墨填料密封性能的折衷方案。

圖11 不同組合方式石墨填料的泄漏率變化

3 結論

(1)石墨填料的摩擦磨損特性對控制閥的動作靈敏度與密封性能至關重要，在填料結構的設計驗證時，應避免啟動摩擦力的震蕩波動現象，降低閥桿的滑動摩擦力與填料組件的磨損率，從而提高閥門位置控制精度，延長填料有效密封壽命。

(2)不同截面形狀的石墨填料性能特點各異，其中V形截面石墨填料的啟動摩擦力最小，對執行器配置要求最低，由于其內部間隙對石墨粉的吸附作用，可減緩填料磨損，使密封壽命更長；菱形截面石墨填料的滑動摩擦力最小，對控制閥動作靈敏性影響最低；錐形截面石墨填料的密封性最差，且最容易發生密封失效。

(3)石墨填料的組合方式會對其摩擦特性與密封性能產生重要影響，其中交替式組合通過中部盤根改善填料徑向應力分布，使石墨填料的摩擦力下降35%，有效降低閥門執行器的配型；同時較低的摩擦磨損可延緩填料應力松弛，使其相比兩端式組合具備更優的密封性能。