PDS高頻開關(guān)球閥閥桿填料密封設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TQ315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）18-0129-04

Abstract：Thisarticledidresearchesonthestructure designofPDSballvalvestempackingbox intheproductionof polypropylene powderreactor，andanalyzedthegalingandleakageproblemsofPDSballvalvestempacking box.Bysimulating thevalvestrokingfrequencytestinactualworkingconditions，thestructureofPDSballvalvestempackingboxwasoptimized， and the sealing performance and service life of PDS ball valve stem packing box were improved.

Keywords：PDSballvalve; high-cycle stroking;valve packing box;galling;sealing performance;service life

PDS球閥的全稱是粉料排放系統(tǒng)（ProductsDis-chargeSystem）球閥。這種閥門主要用于聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）裝置中的粉料排放單元，具有高頻開關(guān)、高速動(dòng)作、嚴(yán)格順控等特點(diǎn)，常用于需要頻繁開關(guān)的化工行業(yè)場(chǎng)合。在處理精細(xì)、研磨性粉末顆粒的工況也得到廣泛應(yīng)用。

PDS球閥作為生產(chǎn)聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）裝置的重要部件之一，其密封性能和高瀕開關(guān)壽命是決定生產(chǎn)裝置系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）生產(chǎn)過程中的自有特性，決定其易引起物料堆積結(jié)塊，從而易引起閥座變形，閥門開關(guān)卡頓，閥桿損壞；長時(shí)間高頻度的開關(guān)，導(dǎo)致PDS球閥球體和閥座處易磨損拉傷，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)漏；聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）粉末易侵人填料函，促使軸承磨損，閥桿填料磨損加劇，閥桿偏移，閥門閥桿填料處泄漏。以上問題一旦發(fā)生，整個(gè)生產(chǎn)線都得停車維修，這會(huì)造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。本文圍繞著PDS球閥閥桿填料處泄漏問題展開分析和研究，通過工廠模擬實(shí)際使用工況，獲得一些PDS球閥循環(huán)開關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而對(duì)閥桿填料處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并對(duì)閥桿填料處日常維修提出一些建議。

1說明

本文采用聚丙烯（PP）Unipol工藝生產(chǎn)裝置上PBT出口的PDS球閥E閥的閥桿填料作為研究對(duì)象，對(duì)閥桿填料處泄漏問題進(jìn)行分析研究。受篇幅影響只對(duì)填料泄漏和改進(jìn)后效果較好的2種填料結(jié)構(gòu)加以說明。另外出于技術(shù)保密的考慮，本文未列出填料的面壓力及螺栓預(yù)緊扭矩的技術(shù)細(xì)節(jié)及詳細(xì)的計(jì)算，只給出能夠說明問題的最終計(jì)算結(jié)果。

2生產(chǎn)聚丙烯裝置現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生泄漏的PDS球閥閥桿填料函結(jié)構(gòu)

填料函上部是采用某品牌的有角度差的石墨填料，填料上下2層為編制石墨，中間幾層為柔性石墨；填料函底部為帶內(nèi)外0型圈密封的填料墊環(huán)，0型圈不但能提供可靠的密封，同時(shí)還能起到防止聚丙烯粉末侵入填料函的作用；采用壓板和壓套壓緊填料，每個(gè)壓板螺栓下設(shè)計(jì)4片碟簧，為填料提供持續(xù)的預(yù)壓緊力；壓套和閥蓋上分別有一個(gè)軸承，材質(zhì)為鋁青銅，防正高瀕開關(guān)過程中閥桿偏移；閥桿與壓蓋間有1片墊片，材質(zhì)為鋁青銅。發(fā)生泄漏的閥桿填料函結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

3生產(chǎn)聚丙烯裝置現(xiàn)場(chǎng)PDS球閥閥桿填料泄漏原因分析

出現(xiàn)泄漏的閥門垂直安裝在管線上，即閥桿平行于地面。工藝要求閥門采用單作用彈簧復(fù)位氣缸，開關(guān)時(shí)間小于 2.5s ，每 1.5min 開關(guān)一次，整個(gè)生產(chǎn)聚丙烯裝置系統(tǒng)除常規(guī)例行的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)會(huì)停車外，其余時(shí)間都是在不間斷地運(yùn)行，一年開關(guān)至少35萬次。在發(fā)現(xiàn)閥門泄漏時(shí)，閥門在管線上運(yùn)行了5個(gè)月左右，這尚未達(dá)到PDS球閥使用壽命要求。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)在閥門下方的地面上，堆積著一些大小不一的黑色固體塊狀物。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，填料壓板螺栓下的碟簧已經(jīng)松弛，能提供的預(yù)緊力也小了很多。從現(xiàn)場(chǎng)情況分析判斷，閥門在高頻開關(guān)過程中，閥桿填料被磨碎破壞。當(dāng)聚丙烯粉末侵入填料函后，與被閥桿磨碎的石墨填料混合在一起攪拌。經(jīng)過多次高頻開關(guān)后，聚丙烯粉和石墨碎屑的混合物逐漸從閥桿和填料函之間間隙擠出。詳細(xì)磨損情況如圖2所示。

對(duì)泄漏閥門拆檢后發(fā)現(xiàn)，閥桿填料函里面的石墨填料與現(xiàn)場(chǎng)分析相同，已被磨損很多，尤其是填料組中間部分，由石墨箔卷制模壓成型的純石墨填料。且填料自身結(jié)構(gòu)也遭到了嚴(yán)重的破壞，磨損后形成了許多石墨粉和小片狀石墨。閥桿與填料配合段表面尚好，未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損。填料墊環(huán)上與閥桿接觸的內(nèi)0型圈磨損嚴(yán)重，已被磨去了大半，已經(jīng)失效。填料墊環(huán)上與填料函接觸的外道O型圈無磨損。閥桿和閥蓋間的墊片也出現(xiàn)了磨損拉傷。壓套和閥蓋處的軸承也有磨損。

通過分析泄漏現(xiàn)場(chǎng)和樣機(jī)拆檢可以推斷，石墨填料在長期高頻開關(guān)情況下，由于閥桿表面粗糙度較高（粗糙度大約在Ra1.6左右），當(dāng)石墨填料安裝到閥門后，就已經(jīng)被壓緊、填充在閥桿表面微觀的不平整面上了，即我們常說的石墨粘在閥桿表面。在開關(guān)過程中原本已粘在閥桿上的石墨，伴隨閥門的開關(guān)，閥桿旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，又進(jìn)一步粘連了更多的石墨填料。由于PDS球閥是定向四分之一旋轉(zhuǎn)，在閥門開或關(guān)旋轉(zhuǎn)到位時(shí)，閥桿表面上黏附的石墨會(huì)被擠壓到一側(cè)，在長時(shí)間高頻次的四分之一旋轉(zhuǎn)開關(guān)過程中，與閥桿表面接觸的石墨填料宏觀結(jié)構(gòu)，被一點(diǎn)點(diǎn)蠶食破壞，促使填料整體結(jié)構(gòu)變得松散。尤其在填料中間層的純石墨圈被磨削成粉狀、片狀。壓板螺栓下的碟簧預(yù)緊力已不足以補(bǔ)充到填料。填料墊環(huán)上與閥桿接觸的內(nèi)道O型圈原本可以防正聚丙烯粉末進(jìn)入填料函，但由于閥門長期高頻開關(guān)，閥桿和O型圈之間干摩擦產(chǎn)生熱量，使。型圈橡膠變軟發(fā)黏，軟化后的橡膠粘在閥桿上，在閥門高頻開關(guān)，閥桿長期地往復(fù)旋轉(zhuǎn)過程中，0型圈與閥桿接觸部位被撕扯掉，從而導(dǎo)致失效。在填料墊環(huán)上的內(nèi)道0型圈被磨損失效后，聚丙烯粉末侵入填料函，與磨損的石墨填料碎屑進(jìn)行混合，進(jìn)一步破壞填料結(jié)構(gòu)。閥桿填料函空間能容納的填料和聚丙烯有限，經(jīng)過長期高頻旋轉(zhuǎn)開關(guān)后，混合物被擠到一處，進(jìn)而閥桿和填料間隙之間就形成泄漏通道，混合物沿著泄漏通道被一點(diǎn)點(diǎn)地?cái)D出填料函。此外發(fā)現(xiàn)閥桿和閥蓋之間的墊片磨損較大，在別的PDS球閥上也出現(xiàn)了類似問題，由此推斷上閥桿和閥蓋間的墊片不適合使用鋁青銅材料。

4基于上述泄漏原因分析而改進(jìn)的閥桿填料函結(jié)構(gòu)（一）

起初設(shè)計(jì)了多個(gè)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，經(jīng)討論共保留2個(gè)方案進(jìn)行試驗(yàn)，此處介紹改進(jìn)的結(jié)構(gòu)（一）。基于上述泄漏原因分析可知，要解決閥桿處泄漏問題，主要需解決閥桿填料處耐磨的問題和聚丙烯粉末侵入填料函的問題。針對(duì)閥桿填料處耐磨問題，首先將閥桿與填料接觸位置的粗糙度提升2個(gè)等級(jí)，保持閥桿粗糙度在 Ra0.4～Ra0.6 之間，以此來降低由于閥桿上微觀不平整的面對(duì)與其接觸的石墨填料造成的磨削程度；其次將有角度差型填料更換為內(nèi)含金屬絲的編織石墨填料，編織填料要比純?nèi)嵝允湍ィ覂?nèi)含金屬絲的編織石墨填料自身宏觀結(jié)構(gòu)不易被破壞成片狀、粉狀，且耐磨穩(wěn)定;最后又增加了壓板螺栓上的碟簧數(shù)量，以此來增加填料的持續(xù)壓緊力。在保證閥桿填料處不泄漏的情況下，將閥桿填料的面壓力降低，300LB 及以下閥門，建議填料面壓力在 10～15MPa 的范圍內(nèi)。減小壓板螺栓的預(yù)緊扭矩，確保閥門在長期的使用過程中，填料始終都處于被預(yù)壓緊狀態(tài)，但不被過度壓緊。填料一旦被過度壓緊，填料的磨損將加快，使用壽命大幅下降。針對(duì)閥桿填料下方聚丙烯粉末侵入填料函的問題，首先在填料底部增設(shè)楔形聚四氟乙烯防塵環(huán)，其次在閥桿下方也增設(shè)一個(gè)楔形聚四氟乙烯防塵環(huán)，且閥桿下方的軸承采用復(fù)合軸承結(jié)構(gòu)，外部軸承采用青銅材料，內(nèi)部軸承采用聚四氟乙烯帶，閥桿與閥體之間采用編織PTFE作為初道防塵隔離設(shè)計(jì)。閥桿和閥蓋間的墊片更換為PEEK材料。改進(jìn)后的閥桿填料函結(jié)構(gòu)（一）簡(jiǎn)圖如圖3所示。

5基于上述泄漏原因分析而改進(jìn)的閥桿填料函結(jié)構(gòu)（二）

此處介紹改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)（二）。該結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)（一）相同的點(diǎn)：填料更換為內(nèi)含金屬絲的編織石墨填料，防止填料被破壞成片狀、粉狀;增加壓板螺栓上的碟簧數(shù)量，以此來增加填料的持續(xù)壓緊力；降低填料面壓力及壓板螺栓預(yù)緊扭矩；閥桿和閥蓋之間的墊片同為PEEK材料。與結(jié)構(gòu)（一）不相同的點(diǎn)是：把原泄漏閥門填料函結(jié)構(gòu)中的填料墊環(huán)，改為一個(gè)特殊的，帶O型圈的泛塞圈結(jié)構(gòu)。與填料函外壁接觸位置依然使用一道0型圈密封。與閥桿接觸處使用唇形圈密封，防止聚丙烯粉塵侵入填料函。常用泛塞圈外殼為PTFE材質(zhì)，為了防止PDS球閥在高頻開關(guān)過程中，泛塞圈磨損，增加耐磨性，泛塞圈外殼使用PEEK材質(zhì)。此外泛塞圈采用V\"形彈簧，彈簧能提供穩(wěn)定的預(yù)緊力，即使閥門在開關(guān)過程中泛塞圈外殼與閥桿接觸處有少許磨損，彈簧的預(yù)緊力也能給予補(bǔ)償；閥桿粗糙度更低，到 Ra0.2 左右，以此來降低由于閥桿上微觀不平整的面對(duì)與其接觸的石墨填料及泛塞圈造成的磨削程度，同時(shí)粗糙度更低便于泛塞圈密封及安裝使用；壓套處和閥蓋處的軸承，閥桿與壓蓋接觸的墊片，都使用PEEK材料。改進(jìn)后的閥桿填料函結(jié)構(gòu)（二）簡(jiǎn)圖如圖4所示。

6改進(jìn)后的閥桿填料函試驗(yàn)結(jié)果

僅針對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)（一）和結(jié)構(gòu)（二）閥桿填料函，設(shè)計(jì)了2套相同的試驗(yàn)工裝，同時(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)工裝在安裝時(shí)，它的方向與生產(chǎn)聚丙烯裝置上E閥相同。試驗(yàn)所使用的介質(zhì)為1000目聚丙烯粉末，試驗(yàn)壓力0.6MPa ，氣源壓力 0.45MPa ，采用單作用彈簧復(fù)位氣缸。氣缸開關(guān)時(shí)間為5s，每90s循環(huán)一次，模擬其在高頻開關(guān)下的泄漏情況。

模擬閥桿循環(huán)開關(guān)試驗(yàn)，前后總共耗時(shí)6個(gè)多月，在此期間閥桿共循環(huán)開關(guān)約18萬次，2種結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)工裝下方處均未發(fā)現(xiàn)有擠出物。在閥桿填料函處使用泡沫試驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)泄漏。

試驗(yàn)結(jié)束后拆檢試驗(yàn)工裝，閥桿未出現(xiàn)磨損拉傷現(xiàn)象，閥桿與填料配合接觸面未發(fā)現(xiàn)磨損，填料本身有微量磨損，在拆卸閥桿時(shí)有一些石墨粉末被帶出，閥桿與閥蓋間的墊片有少許磨損，壓蓋和壓套中的軸承有少許磨損。

7結(jié)束語

從上面的試驗(yàn)結(jié)果和零件拆檢可知，改進(jìn)后的閥桿填料函能承受的循環(huán)開關(guān)次數(shù)明顯提高了很多，閥桿填料及軸承等零件的使用壽命也得到了相應(yīng)的提升，同時(shí)也避免了聚丙烯粉末外漏的情況發(fā)生。由此可見閥桿表面的粗糙度，防正聚丙烯粉塵侵入填料函的結(jié)構(gòu)，填料材料選用，這些對(duì)PDS球閥閥桿填料密封效果及使用壽命有著較大的影響。模擬試驗(yàn)的工況不能代表閥門實(shí)際使用工況，閥桿填料的磨損受到零件粗糙度、填料化學(xué)成分、填料預(yù)緊力、開關(guān)頻次和介質(zhì)性能等因素影響，本文閥桿填料函的磨損分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)有著明顯的針對(duì)性，可能不適用于普遍工況要求，僅供設(shè)計(jì)參考。

聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）主要應(yīng)用于包裝、建筑、電線電纜、農(nóng)業(yè)、汽車、家居用品、體育用品和日用消費(fèi)品等多個(gè)領(lǐng)域。隨著新材料、新工藝的出現(xiàn)和發(fā)展，以及市場(chǎng)需求的變化，PDS高頻開關(guān)球閥技術(shù)也得到較快的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓展，特別是在高端產(chǎn)品和環(huán)保型產(chǎn)品方面將有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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