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【摘要】简单介绍阀杆和填料密封的机理，以及常见的密封材料和常用阀门的填料密封结构。指出了如何选择多种密封材料的组合搭配以及注意事项。重点分析在高温工况下，对应不同压力设计的弹性补偿填料密封结构。
【关键词】高温阀门;填料密封;弹性补偿
0 前言
阀门是现代工业中一种常见的机械产品。作为流体传输系统中的关键性控制部件，因其具有的截止、调节、稳压、分流等功能，其主要应用于锅炉、蒸 汽 管 道、炼油、化工、火力以及冶金等领域。现代工业对阀门密封的可靠性提出了越来越高的要求，密封性能是评定阀门产品质量的一个重要技术指标。高温阀门是指工作温度高于250℃的阀门，高温阀门的阀杆填料密封技术一直是多年来未解决的突出问题，也是提高阀门可靠性的薄弱环节之一。常见的高温阀门阀杆填料密封一般存在的密封不足或过度密封的情况，在长时间运行中阀门阀杆处容易出现泄漏，易燃易爆、剧毒等危险物的泄漏不仅会造成装置停工和经济损失，而且会引起环境污染，甚至人员伤亡事故，给装置的运行带来很大的风险。
1 阀门填料密封的原理
阀门的密封性能是评定阀门质量性能的一个重要指标。现在大部分的调节阀或者通用阀门阀杆和填料密封为接触式密封，因其结构简单、装配及更换方便、成本低廉而被广泛采用。
阀门中阀杆和填料处的泄漏又是常见的现象。填料之所以能起到密封的作用，其原理现在主要存在两大密封观点，分别是“轴承效应”和“迷宫效应”。
填料的“轴承效应”是指在盘根填料和阀杆之间，挤压填料以及在外部的润滑剂作用下，因为张力在阀杆的接触面形成一层液膜，使填料和阀杆形成类似于滑动轴承的关系，这样填料和阀杆就不会因为过度摩擦而出现磨损，同时因为液膜存在，填料和阀杆时刻处于密封状态。
填料的“迷宫效应”则是指阀杆的表面平整程度无法达到微观水平，填料和阀杆只能部分贴合而做不到完全贴合，在填料和阀杆之间永远存在着极为微小的间隙，又因填料间的切口不对称装配，这些间隙一起形成了迷宫带，介质在其中被多次节流、降压，而达到密封的作用。
填料密封中的“迷宫效应”所指的阀杆的表面平整程度无法达到微观水平，阀杆和填料间的微小间隙这是客观存在的，无法消除，如果从这方面进行填料密封设计，往往效果不是很理想，而这是造成多空间泄漏或动力泄漏的基本条件。密封介质通过填料和阀杆泄漏机理有很多形式：腐蚀间隙泄漏机制、多孔泄漏机制、动力泄漏机制等。本文对于高温工况下的阀门填料密封结构的改进设计是基于上述多种泄漏机制，提出切实可行的改进方案。
2 目前常见的填料类型以及应用场合
2.1 聚四氟乙烯盘根(图1)
聚四氟乙烯盘根是以纯聚四氟乙烯分散树脂为原料，先制成生料薄膜，再经过捻线，编强织成盘根.这种盘根无其它添加物，可广泛用于食品、制药、造纸化纤等有较高清洁度要求，和有强腐蚀性介质的阀门、泵上。
适用范围：上限使用温度：260℃，上限使用压力：2.0MPa，pH 值：0-14。
2.2 膨胀石墨盘根(图2)
膨胀石墨盘根又称柔性石墨盘根采用柔性石墨线经穿心编织而成。膨胀石墨盘根具有良好的自润滑性及导热性，摩擦系数小，通用性强，柔软性好，强度高，对轴杆有保护作用等优点。
适用范围：上限使用温度：600℃，上限使用压力：20MPa，pH 值：0-14。
2.3 增强型石墨盘根(图3)
增强型石墨盘根采用玻璃 纤维、铜丝、不锈钢丝、镍丝，茵苛镍合金丝等材料增强的纯膨胀石墨线编织而成。具有膨胀石墨的各项特性，而且通用性强，柔软性好，强度高。与一般的编织盘根组合，是解决高温，高压密封难题的很有效的密封元件之一。
适用范围：上限使用温度：550℃，上限使用压力：32MPa，pH 值：0-14。
该盘根是膨胀石墨盘根的增强版，是非常优秀的密封材料。
以上列举了常见的几种填料盘根的类型，实际生产过程中还会遇到针对特殊工况研发的其他种类填料盘根。例如较好耐化学性的芳纶纤维盘根;适合高负荷旋转轴的芳纶碳纤维混编制盘根等等，本文限于篇幅，就不一一详细介绍。
3 常见阀门填料结构和选择
常见的阀杆填料密封结构如图4所示，主要有压板、压盖、隔套、填料等组成。为了达到良好的密封效果，一般要求填料具有组织致密，化学稳定性好，摩擦系数低等特点。一般在温度低于200℃，填料常选用聚四氟乙烯盘根，其具有的高润滑、不粘性、电绝缘性和良好的抗老化等特点，广泛用于石油、化工、制药等领域。
在200°到450°温度工况下，石墨盘根因具有耐高温、自润滑、低摩擦系数等特点，被广泛选用。石墨盘根根据用途已研制出各种分类，在实际应用中，填料可根据实际工况条件选择合适的石墨盘根类型，例如250℃、低压工况场合可选择膨胀石墨盘根，中、高压可选择增强型石墨盘根或者两者组合使用。
4 高温阀门填料结构外漏分析
在高温工况下，如选用图4所示石墨盘根密封结构，很容易出现外漏情况。经分析原因如下：
石墨盘根装入填料函内，通过填料压盖上紧 固 螺栓松紧来施加对填料的轴向压力。由于填料具有一定程度的可塑性，受轴向压力后产生径向压力和微变形，内孔与阀杆紧密贴合，但是这种贴合上下不是均匀的。通过图5的填料压力分布图 A 和填料密封力分布图 B可知，填料函中上部填料和下部填料受介质压力是不均匀的。直接导致两部分填料塑性变形不一致，容易出现填料与阀杆的局部密封过度或者密封不足，同时靠近压盖处受的径向压紧力至大，所带来的填料与阀杆的摩擦力也至大，在此处阀杆和填料容易出现磨损。
在高温情况下，温度越高，石墨盘根膨胀越大，摩擦力也随之加大，高温所带来的散热不及时，加速了阀杆和填料的磨损率，这也是高温阀门填料容易出现外漏的主要原因。
5 高温阀门填料结构的改进设计
高温工况下的阀门填料很容易出现外漏的情况，高温填料一般选择膨胀石墨盘根为主。膨胀石墨填料的自润滑性和膨胀性好、回弹系数高，但缺点是易碎、抗剪切力差，一般安装在填料函的中间部分，防止膨胀石墨填料受到填料压盖和底部压垫的挤压而损坏;增强型石墨盘根因含有镍丝等，结实抗挤压，故可以安装在顶部和底部。
虽然利用膨胀石墨和增强型石墨盘组合解决部分高温下填料外漏的情况。但是对于阀门动作比较频繁的工况，石墨盘根磨损率比较高，使用一段时间后需要人工紧填料函上的紧固螺栓，对于人工和排查都带来了比较大的问题。基于上述问题的考虑，某公司结合国内外文献以及经验的积累近年来研制一种补偿性的阀门填料结构，特别针对高温低压、以及高温高压的不同工况，针对性的开发不同的高温填料结构，一举解决了阀门在高温工况下容易外漏的情况。
高温低压型(图6)，采用特制补偿性圈形弹簧和组合式石墨盘根相结合。
工况压力不高故取消填料隔套，填料函底 部 加 入特制补偿性圈形弹簧，安装时需紧固螺栓预加一定的预紧力。即使石墨填料和阀杆出现摩擦性磨损，圈形弹簧能即时作出相应的补偿性调节，保证阀门发生外漏情况。
高温高压型(图7)，这是一种先进的填料系统，采用碟形弹簧和圈形弹簧外置双补偿结构，能够避免温度过高使弹簧失效的优点，尤其在高温、高压情况下极端工况下，某处补偿点失效，另一组补偿依然有效，两者不干涉，单独补偿但同时对填料起作用。碟形弹簧的封闭性也有利于在恶劣户外条件下使用，两处补偿点的外置结构也有利于更换，无需拆卸整个填料函，大大提高效率以及方便操作。经过长期用户跟踪，此类型填料结构对于高温、高压下的阀杆密封防止防止外漏效果明显，使用寿命长。
6 结束语
在实际使用工况中，引起阀门的外漏因素有很多，填料和阀杆之间的密封是重要因素之一。本文简单介绍了常见填料的分类、选择以及密封结构，特别是高温情况下的填料密封结构以及对应高、低压的不同选择，重点介绍了高温下先进的补偿性填料密封结构以及原理。填料密封没有一劳永逸的密封结构，根据实际工况，选择合适的填料类型和对应的密封结构才能大限度的保证密封性能和使用寿命。
【参考文献】
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[2]仝文科，黄清世，陈小军，等.填料密封机理分析[J].液压与气动，2007，(2)：81-83.
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