安全閥閥門填料密封的關(guān)鍵因素

發(fā)布日期：2021-07-05

作者：吳江天吳特種安全閥

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壓縮填料

填料是一種傳統(tǒng)的壓蓋密封,可以采用多種材料制造。用填料裝填填料時,填料在結(jié)構(gòu)上可以為散狀的(通常混合有潤滑劑)；制成一定斷面(一般為矩形,但有時也用圓形截面);切成適當(dāng)長度繞成螺旋狀的或者作為切制圖,裝在壓蓋上的成型件。無論采用哪種結(jié)構(gòu),都是靠壓緊壓蓋,迫使填料緊壓在密封表面上而取得密封作用的。如圖1所示。

由于壓緊壓蓋所形成的壓緊力產(chǎn)生一種造成密封效果的徑向壓力。徑向壓力沿整個填料長度按指數(shù)曲線分布。為了保持填料的“干”狀態(tài),內(nèi)側(cè)圈上的徑向壓力至少要等于系統(tǒng)的內(nèi)壓力,這就意味著外側(cè)圈上的徑向壓力高得多,在大多數(shù)用途中是過高的(導(dǎo)致過大的摩擦,軸磨損和氣動密封件失效)。因此,在大多數(shù)使用中,要將壓緊力調(diào)整到允許最末一個圈填料稍有一點泄漏,也就是說這個環(huán)上的徑向壓力稍微低于系統(tǒng)的內(nèi)壓力。然而,這樣一來,如果將壓蓋調(diào)整到不產(chǎn)生泄漏的最小壓縮程度時,則大多數(shù)填料圈上就將出現(xiàn)一些泄漏。

采用普通的填密材料時,產(chǎn)生的徑向壓力與壓緊壓蓋時所加的軸向壓力之比約為0.6~0.7,沿整個填料函的典型徑向壓力,如圖2所示。

對許多應(yīng)用來說,填料仍是主要選擇,特別是對用到大型填料函和重載的場合,例如流程泵、供汽和重力水處理等,尤其如如此。填料密封還有這樣一種優(yōu)點,即它們除了能用于往復(fù)用途外,還能用于旋轉(zhuǎn)場合。對于許多往復(fù)工作來說,特別是在大型、重載的應(yīng)用場合,撓性密封組件或單個密封件是可以代替填料的,除非要求泄漏達(dá)到最小的情況下,可能機械軸封更適宜。然而,值得注意的是,隨著機械密封件的廣泛使用,并未顯出有對壓籃填料密封減少需要的跡象。

填料基本上是柔軟(可變形的)斷面,不過其柔軟度是有很大差異的。填料幾平總是含有有潤滑劑的,并且在使用過程中,隨著過度受壓或過熱,便會損失潤滑劑,填料的體積隨之小,徑向壓力下降,從面導(dǎo)致泄露。

在潤滑有問題的地方,或填料函需要一定程度冷卻的地方,可以向填料函中央供入附加潤滑劑/冷卻劑,如圖3所示。

通過這種方法致冷的程度是有限的,而在溫度較高時,為了保持填料函的工作溫度不超出填料的使用溫度極限,可能不得不對整個填料函體行工作冷卻。

由于纖維需要高壓收縮成由于缺少適當(dāng)?shù)臐櫥紩疠^大的摩擦和過熱現(xiàn)外加積滑/等象,由此面會產(chǎn)生許多問題,這類問題可通過采用最近研制的以用聚四氟乙烯涂散的芳族酰酸纖維為基的填料來解決。

現(xiàn)代石墨化石棉填料

石墨化石棉填料的出現(xiàn)歸因于在生產(chǎn)一種石墨和石棉的直接接混合物,而不是在制造表面涂層過程中的一些最新研究工作,這種填料具有優(yōu)良的潤滑,較冷的運行,較低的摩擦,良好的高溫性能。

聚四氯乙烯填料

具有極好的抗化學(xué)侵蝕能力的聚四氟乙烯,作為一種低摩擦材料的杰出性質(zhì),使其成為一種用來制作填料的有吸引力的選擇材料。這種材料特性的不利一面是強度低，熱傳導(dǎo)性不良以及隨溫度的升高而有收縮的傾向(即具有負(fù)的熱膨脹系數(shù))。當(dāng)這種材料與作為潤滑劑的繩填料(通常是石棉繩)結(jié)合使用時,其熱收縮特性使材料的最大摩擦速度限制在大約8~10m/s,最高使用溫度限制在大約250~290C

不過,熱傳導(dǎo)性可以通過入石墨來改善,利用擠壓方法制成的聚四氟乙烯/石墨填料屬于最吸引人,最有用的現(xiàn)代填料類型之列,比普通繩填料具有更好的性能,特別是在壽命和減少軸或桿的損方面尤為如此。

閥門的朝向和所處位置也是影響密封性能的重要因素。

和垂直安裝相比，橫向安裝閥門容易產(chǎn)生過大的側(cè)向載荷。有些閥門安裝在不停振動著的管線或平臺上，如果給閥桿提供輔助支撐，對保持其密封性能是有利的。有些閥門靠近高溫設(shè)備，熱輻射對密封性能有負(fù)面影響。

閥門內(nèi)的工藝流體也是要關(guān)注的對象。

化學(xué)兼容性很重要；磨蝕性流體中的微?？赡軐?dǎo)致密封元件性能下降。通常處于底部的密封元件，密封效果會比上層的差些，因為壓蓋施加的載荷只有一部分能傳遞到底部。在此情況下，介質(zhì)內(nèi)的微粒會進(jìn)入密封元件，使其性能下降。含有懸浮顆粒的流體，會在盤根靠近外界空氣的一側(cè)蒸發(fā)和結(jié)晶，導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)出問題。當(dāng)流體被密封元件密封隔離，兩側(cè)會發(fā)生壓力降，流體可能發(fā)生相變。相變時的膨脹非常劇烈，密封元件必須足夠堅固才能承受相變產(chǎn)生的作用力。以低硬度O型圈為例，較容易在此類流體中損壞，尤其是小分子流體。

流體溫度是必須考慮的要素。

如果低于550℉，可以采用聚四氟乙烯(PTFE)和Aramide芳綸纖維等高分子聚合物。O型圈常用于400℉以下的非苛刻工況。550℉以上的高溫流體常用碳石墨盤根。在較低溫度中，碳石墨盤根需要更大的密封應(yīng)力，導(dǎo)致閥桿摩擦力更大。和其它材質(zhì)相比，能承受的循環(huán)載荷較低。

在850℉以上的極高溫度中，碳石墨盤根以及用于增強材質(zhì)密封性能的有效成分，會在氧化氣氛中劣變。對策是利用延長閥蓋拉開填料函與閥體的距離，減小高溫介質(zhì)對盤根的影響。低導(dǎo)熱率零件也能降低密封元件的溫度，例如在填料函和密封元件之間安裝陶瓷墊圈。

低溫和深冷工況中，由于材質(zhì)會變脆，強度降低，適用的密封材質(zhì)有限。如果介質(zhì)是液氨，通常要求BAM型式認(rèn)證，即密封元件的清潔度必須符合標(biāo)準(zhǔn)。

壓力越高無疑越難密封。由伯努利方程可知，流率的變量與壓力變量的平方成正比。這就很容易理解，1500磅級閥門的密封難度遠(yuǎn)高于150磅級的閥門。在高壓應(yīng)用場合，尤其需要確保載荷、密封元件設(shè)計能和密封性能要求相匹配。

有些閥門在開關(guān)時，整棟樓甚至都會一起振動，有些閥門每年運行一百多萬次，有些卻難得運行一回。閥門的操作次數(shù)當(dāng)然需要關(guān)注，而行程的長短也很重要?？刂崎y的行程通常很短，大型電動閥門行程可能較長，操作較頻繁。和處于溫度變化環(huán)境中的閥門相比，穩(wěn)態(tài)溫度環(huán)境中的閥門較容易密封。這其中當(dāng)然有工藝介質(zhì)的原因，但過冷或過熱的環(huán)境顯然會增加密封難度。

所有關(guān)注點中最重要的無疑是對密封性能的要求。許多行業(yè)，尤其是水處理行業(yè)，可以允許一定程度的可視泄漏。泄漏物質(zhì)中攜帶有固態(tài)微粒，一旦堆積后可以堵住泄漏點。這樣的狀況是可以接受的，因此微量泄漏沒有很大危害。在其它一些行業(yè)，可視泄漏就是個大問題。但對于不可視泄漏，一般僅限于按照工廠常規(guī)方法進(jìn)行檢測。對于密封元件的逸散泄漏要求就高得多，而且通常都會頻繁進(jìn)行測試和/或監(jiān)測。其泄漏一般是非可視狀態(tài)，計量單位是百萬分之(PPM)，而且標(biāo)準(zhǔn)越來越苛刻了。有些流體的危害性極大，例如致癌物質(zhì)，有些甚至僅微量就會致命。對此需要采取額外預(yù)防措施、后備系統(tǒng)、雙密封系統(tǒng)，并在兩道系統(tǒng)間設(shè)置漏失孔以便監(jiān)測。波紋管密封閥門具有后備密封系統(tǒng)，可以用于此類危險流體。

希望上述內(nèi)容有助于厘清特定閥門和工況所對應(yīng)的各種變量，以便選擇最適用的密封技術(shù)。歷史經(jīng)驗無疑有寶貴參考價值，但如果需要更長的使用壽命、更高的可靠性或密封性能，那么全面考量上述各項因素將有助于甄別權(quán)衡的重點。相信掌握的信息越全面，越有助于選擇最合適的密封方案。