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    控制閥細節分析之密封填料

    作者: 2007年11月28日 來源:李寶華 瀏覽量:
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    引言控制閥是終端控制元件,決定著過程控制是否及時有效,在整個控制回路中較為重要但又是長期以來技術比較薄弱的環節。 一個控制系統的控制質量受到組成系統各環節的影響,更取決最薄弱環節的影響,控制閥雖然相對

    引言
        控制閥是終端控制元件,決定著過程控制是否及時有效,在整個控制回路中較為重要但又是長期以來技術比較薄弱的環節。

        一個控制系統的控制質量受到組成系統各環節的影響,更取決最薄弱環節的影響,控制閥雖然相對控制系統和過程儀表而言略顯簡單,但在工業生產過程對控制要求及安全性不斷提高的情況下,其必要性、重要性以及在回路中較高的故障頻次已引起業內注意。

        控制閥的生產廠家眾多,造成控制閥品種多、規格多、參數多,質量參差不齊。不同廠家的同類型控制閥的設計差異、技術特點和應用情況如何?也是筆者近期關注的問題,并開始對控制閥做一些探討?,F以部分知名品牌控制閥為例,著重對目前在用量最大、多數廠家都在生產的直通單座球形閥做一些細節分析。本文針對控制閥密封填料的技術細節進行分析探討。

        密封填料

        控制閥的密封填料由填料函部件和填料組成,是對閥桿運動的動密封,是防止控制閥外漏、保證閥桿正常提升以及維持控制閥靜態和動態特性不可忽視的部件。在控制閥運行中所有發生的故障統計中,密封填料泄漏故障率較高,甚至造成工藝系統停車或引發環境污染。

        密封填料的使用由來已久,一些機泵也使用填料作為靜、動密封。密封填料部件易于加工、操作簡單、價格不高,也使部分廠商在控制閥設計和選用上對其考慮得少一些,細節設計不到位。隨著流程工業對控制要求和功能安全要求的不斷提高,對控制閥環保場合泄漏量的密封性能、動密封的長久性能和延長檢維修周期的要求也不斷提高,使控制閥密封填料變得重要起來。如何設計出結構合理、安全可靠的密封填料是國內外多數制造商的議事日程。

        對于直通單座球形閥而言,密封填料也應是關鍵點。關注控制閥的密封填料,涉及密封理論、填料函結構、填料型式及其組合、應用工況。

        密封理論

        密封填料的設計基于力比較、力平衡原理,使密封填料的密封力大于被密封的閥內壓力(流體介質的壓力)的作用力。

        根據填料密封時的壓力分布理論和各種密封填料實際工況測試,得出下列公式:

       

        式中:pr-填料的徑向壓力;
              pO-作用在填料壓蓋的壓緊力;
              K-填料的應力比值;
              d1-閥桿直徑;
              d0-填料函孔徑;
              s -填料長度;
              μ1-填料與閥桿間的動摩擦系數;
              μ2-填料與閥桿間的靜摩擦系數;

        密封壓力方程式分析以及結合實際應用可知:

        ●提高填料函和閥桿加工光潔度和表面精度十分重要,盡量不讓壓緊力pO過多衰減,使徑向壓力pr能夠大于被密封的閥內壓力,而光潔度不夠就會使內摩擦加大,造成徑向壓力pr即密封力下降和密封性能變差。填料函和閥桿應采用表面拋光工藝提高光潔度,以及使用滾壓技術提高表面硬度。
        ●合理設計填料函。填料函孔徑和閥桿直徑的比值d0/d1影響到徑向壓力,不同的制造商在實際應用中也有不同的相對于閥桿的直徑比經驗值。
        ●要選合適的填料長度,并不是越長越好,填料長度s的經驗值為1.5倍閥桿直徑。
        ●要考慮到填料的溫度特性、形變以及磨損,如采用彈簧加載的設計來保證密封效果。
        ●填料函設計要合理。根據不同應用選擇不同的填料函結構和填料材料,要利于使用和維護。

        填料函

        控制閥的填料函用于安放填料及相關部件,提供閥桿彈性動密封,防止閥內過程流體通過運動閥桿表面產生的泄漏。由于閥桿運動時有靜摩擦力和動摩擦力,因此要求填料函結構設計滿足摩擦力小和耐用性能好。圖1是部分廠家直通單座控制閥的填料部分設計結構,也是最常見的結構。

        各廠家控制閥的填料函基本上都設計在上閥蓋,但安放填料型式和填料壓緊方法有不同。

     

     

     

    (圖1 部分廠家直通控制閥填料設計結構)

        控制閥模塊化設計的填料壓緊方式基本上是采用壓緊力均勻的松套型式壓緊螺絲,如SAMSON的240系列(圖1a為240系列的3241型)、FISHER的GX型(圖1b)、ARCA的08C(圖1d)。

        SAMSON和ARCA都在壓緊螺絲接觸閥桿部位加有嵌入的防塵圈,既有刮垢作用又有密封作用。密封填料結構具有零部件通用性和數量少的特點,整體設計更加合理及效果更好一些。為了防止碳鋼材料填料函的填料和閥桿之間的電化學腐蝕,則在填料函內加一不銹鋼襯套。

        標準型式設計為裝填一組不同車制成形的PTFE-V型填料環以及使用不銹鋼彈簧加載提供預緊力。FISHER則是在壓緊螺絲下設置一組彈簧片,透過導向套給填料提供壓緊力。

        一些早期設計的控制閥(包括國產絕大多數控制閥)一般都采用壓蓋法蘭、填料壓蓋、螺栓緊固的壓緊結構,如FISHER的easy-E系列、山武、本山、工裝等。這種結構部件數量較多且無通用性,也容易由于壓蓋法蘭兩側螺栓緊固程度不同而調偏壓蓋致使偏磨閥蓋和增加摩擦力。為此,一些廠家設計的壓蓋法蘭和填料壓蓋以球面相接觸,增加了加工難度和部件復雜性,效果并不十分理想。

        目前很多廠家設計的密封填料系統無需外加潤滑,在廠內裝配時一般給填料加有潤滑脂。廠家標準類型控制閥的密封填料部件沒有注油器或注油截止閥,或只留有絲堵封閉的注油接口,當有特別需求時再加裝注油器等,并要求使用的是硅基潤滑脂。

        填料

        填料的選擇主要考慮是填料工作溫度以及密封效果、摩擦力、使用壽命等。對填料的要求有:

        ●有一定的塑性,在壓緊力作用下能產生一定的徑向力并緊密與閥桿接觸。
        ●有足夠的化學穩定性。不污染介質,填料不被介質泡脹,填料中的浸漬劑不被介質溶解,填料本身不腐蝕密封面。
        ●自潤滑性能良好,耐磨、摩擦系數小。
        ●當閥桿出現少量偏心時,填料應有足夠的浮動彈性。
        ●制造簡單、裝填方便。

        所選用的填料可以是單一材質,如使用最為廣泛的聚四氟乙烯(PTFE)或石墨(片狀/絲狀),也可以是復合材料,如PTFE-石墨、PTFE加絲、PTFE加碳化物、石棉-石墨等,以及PTFE加有碳化物和石棉的加強型PDR0.8、碳纖復合材料PEEK、乙縮醛ACETAL和超級聚乙烯UHMWPE。填料可制成環狀(車制或壓制)或絲狀(編織)等。成形環狀的填料,密封性能好,但裝填麻煩一些。若是開口環,雖裝填方便一些,但要對好缺口并對開放置,其密封效果也差一些。

        PTFE潤滑性好,抗化學腐蝕性能好,有較低的摩擦系數和較寬的工作溫度范圍,一般用于230℃以下溫度。通常制成V型環狀,V型加工成形有60°(一般場合)和90°(高壓場合)結構之分。在工作溫度高于230℃時選用石墨填料,或選擇加延長型閥蓋。填料材料和型式的不同組合使其有更廣泛的應用。

        圖2為SAMSON 240系列標準型密封填料。壓緊螺絲和耐腐蝕的不銹鋼彈簧提供預緊力,為消除內部壓力和不利于密封的形變,填料為一組5個形狀、材料略有不同的V型環,中間是純PTFE,上下為PTFE加碳化物,接觸壓緊螺絲的第一個V環上表面和接觸墊片的第五個V環的下表面都加工為平面。壓緊螺絲嵌入的除塵圈具有刮垢和密封作用,使用效果很好。密封填料幾乎不需要維護,耐用性很好。

     

     SAMSON的250系列(高壓)標準型密封填料設計為兩組(雙重)與前述排列組合相同的V型填料,輔以四個金屬套環、四個墊片和一個加載彈簧(圖2 b)??趶讲煌?,金屬套環數量有所不同。對于大口徑DN250-DN500的控制閥,其V型填料則選用PTFE加碳化物和PTFE加絲。適應部分工況而不使用彈簧加載時,是裝填矩形截面的PTFE加絲的填料環替代彈簧的位置,壓緊力僅由壓緊螺絲進行調整。

        在細節上看,240系列的填料函是在一體化閥蓋上的一個等徑通孔,閥桿導向嵌入閥蓋下部,密封填料的彈簧直接坐落在導向套的上平面,這樣設計易于加工,而且零部件數量最少,整個密封填料系統除填料函和一組5個V型填料組合外僅有3個零件;250系列的填料函在獨立閥蓋內,最下端是一個金屬套環,然后再裝彈簧,部件數量也較少。

        在填料的選擇上,SAMSON除了標準型密封填料外,還有適應不同工況的型式A(用于易結晶或聚合物)、型式B(無碳化物PTFE,用于易結晶或聚合物)、型式C(用于熱酸、熱堿)、型式D(無污染)、型式H(用于過熱蒸汽)、型式S(用于氧氣)等等。

        圖3為FISHER EZ控制閥的密封填料,這也是很典型的設計,很多廠家產品的此部件設計都類似于EZ。由于填料函鉆孔加工原因,最下端要放置墊片。V型填料組的上下要有凹凸環適配,保證與上下部件平面接觸。填料壓蓋與壓蓋法蘭接觸面加工成球面,并加有墊片,以使壓蓋法蘭螺拴緊固時,能適應對中和壓緊力傳遞均勻。在填料的選擇上,FISHER也富有經驗,PTFE-V型、PTFE/復合材料和石墨片/絲等,品種齊全,能滿足各種工況需要,也采取一組或多組填料組合。這種設計的密封填料的部件數量略多一些,以有可比性的彈簧加載類型來看,除一組5個填料組合外,還有10個零部件(包括壓蓋法蘭和緊固螺拴),而且閥蓋上要鉆兩個帶內螺紋的孔。

        結束語

        從控制閥密封填料這個技術細節看,不同填料函和填料結構用于不同的工況,合理設計和選用填料函和填料結構可在所需的工況和復雜條件下達到密封目的。不同廠家的控制閥有各自的細節特點。每一部件的優化改進,增強通用性,提高可靠性以及功能安全和方便維護,就能夠滿足日益增長的用戶需求和安全、環保要求。

        細節決定成敗。以整體優化為出發點,多個考慮細致、創新技術、功能優化、質量可靠的細節就能組成應用方便、靈活、安全、用戶易于接受并滿意的控制閥產品。

        參考文獻

        1.何衍慶等編著.控制閥工程設計與應用.北京:化學工業出版社,2005.
        2.Fisher.GX 控制閥和執行器.51.1:GX 2006.6
        3.Fisher.EZ型控制閥.IM form:5118 2007.5
        4.SAMSON.240/250/280系列控制閥.T 8000-1 ZH 2005.5
        5.ARCA.ECOTROL系列控制閥.DSECOTROL-gb
        6.吳國熙編著.調節閥使用與維修.北京:化學工業出版社,1999.

        作者簡介

        李寶華(1952-),男,中石化儀征化纖股份有限公司,儀表工程師。參加工作38年,先后在引進大化肥、大化纖、國產化大型聚酯從事儀表自控工作32年。曾為儀表工段長、車間電儀主任、廠儀表科長。2001~2004為浙江桐昆集團儀表總工。曾寫有多套企業儀表自控教材,發表論文數十篇。

    標簽:閥門新聞 市場評述 控制閥

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