1　引言
控制閥是自動控制系統(tǒng)的終端控制元件之一，選型尤為重要，由于在化工裝置中，存在許多的高溫，高壓工況，介質(zhì)具有較強的毒性和腐蝕性，且為易燃易爆，當閥門有泄漏時，不僅會造成原材料和產(chǎn)品的浪費，而且對環(huán)境也會造成嚴重污染，甚至引起火災、爆炸、中毒等危害生命的安全事故。因此，閥門的密封問題應(yīng)當引起足夠的重視，在設(shè)計選型中合理地選用控制閥的密封是非常重要的。
閥門的密封分為兩種，即外部密封和內(nèi)部密封，對于控制閥的外部密封，即填料密封，結(jié)合相關(guān)資料，對其結(jié)構(gòu)形式進行分析，并對填料的選擇應(yīng)該注意的方面進行探討。
2　填料函結(jié)構(gòu)
控制閥閥門部分由閥的內(nèi)件和閥體組成，閥的內(nèi)件包括閥芯、閥桿、填料函和上閥蓋等，其中填料函部件用于對閥桿的密封，是用彈性方法防止工藝介質(zhì)通過往復式或轉(zhuǎn)動式運動而在閥桿表面產(chǎn)生泄露，它是閥體不可分割的一部分，閥門的閥桿密封幾乎都是利用填料函來實現(xiàn)的。
圖1為最常用的螺栓連接填料函部件，是典型直通控制閥填料部分的結(jié)構(gòu)，它包括填料法蘭、填料壓蓋、套環(huán)和許多大小一樣的聚四氟乙烯(PTFE)V形填料環(huán)。填料通過法蘭和雙頭螺栓來定位和調(diào)整。填料法蘭和壓蓋以球形表面相接觸，如果因為疏忽而使填料法蘭沒對中時，閥桿不會受到側(cè)向力影響。套環(huán)為潤滑油的注入提供了間隙，在多數(shù)情況下，閥桿通過填料滑動之前有一個金屬護套，帶凸緣的PTFE和油毛氈套環(huán)，用來清除閥桿上的污物和磨蝕顆粒。PTFEV形填料環(huán)的工作特點是在閥內(nèi)介質(zhì)的壓力作用下，填料外圈的唇邊在張開時，始終緊貼著填料函的內(nèi)壁，實現(xiàn)靜密封。同樣在壓力作用下，填料內(nèi)圈的唇邊張開時，始終緊貼著閥桿去保證動密封。這樣即使閥桿上下運動時，同樣能保證密封作用。

圖1所示結(jié)構(gòu)為外部壓緊填料密封結(jié)構(gòu)。其密封是靠壓蓋從外部壓緊填料來實現(xiàn)的，在壓蓋壓緊軸向力作用下，填料與閥桿之間產(chǎn)生徑向接觸壓力，此種密封結(jié)構(gòu)適用于中低壓閥門，其優(yōu)點是便于制造、加工和維修，缺點是與介質(zhì)接觸的底層填料所受徑向壓力最小，不利于密封。如果加大填料壓緊力，就會使閥桿的起閉力矩加大，加重閥桿的磨損，影響閥門使用壽命。

圖2為單層PTFEV形環(huán)填料，此結(jié)構(gòu)是比較典型的模式，它是在填料環(huán)和填料函蓋之間使用圈形彈簧，是有彈簧的單層填料函及V型自密封填料環(huán)，彈簧產(chǎn)生欲緊密封力，保證填料的低壓密封。對于要求不太苛刻的使用場合，如水或蒸汽，某些低壓場合使用此形式，如果壓力不超過2.07MPa、溫度在-18～93℃之間，能滿足體積分數(shù)為10-4級的泄漏量要求，提供了良好的密封性能并只有最低的運行摩擦力。在這種結(jié)構(gòu)中，填料法蘭從外部壓緊了填料函內(nèi)部的填料環(huán)，填料環(huán)下部的彈簧從內(nèi)部壓緊了填料環(huán)。該結(jié)構(gòu)使填料與閥桿間徑向接觸壓力沿軸向的分布趨于均勻，使各圈填料都能夠起到密封作用，易于實現(xiàn)密封。在閥桿中部，則易形成較厚的液膜，起到良好的潤滑作用，可以減輕填料對閥桿的磨損，延長閥門的使用壽命。

圖3是一種雙填料密封，即組合件有上、下兩組串聯(lián)的閥桿填料，這樣的密封結(jié)構(gòu)閥門更可靠、安全，用于高壓場合；它也能用于高真空，但在這種情況下，V形環(huán)必須翻過來放。

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圖4為Enviro Seal填料系統(tǒng)，采用雙層PTFEV形環(huán)填料結(jié)構(gòu)，目前它是一種先進的填料系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，實時負載彈簧設(shè)計，適用于壓力不大于5.17MPa和溫度不大于232℃的場合。在填料壓蓋處采用了“活載”結(jié)構(gòu)，即在填料壓蓋的螺栓上增設(shè)碟簧，使填料壓蓋始終作用于填料上較大的壓力，從而可以防止因壓蓋螺栓松弛或填料松弛而造成的外漏，使得填料載荷始終保持恒定，是比較典型的減少泄漏排放的填料系統(tǒng)。此結(jié)構(gòu)也具有雙填料PTFE和石墨組件形式，滿足防火測試。

一個旋轉(zhuǎn)式的閥桿，閥桿和密封元件之間沒有滑動摩擦，這就減少了填料的泄漏，延長了填料的使用壽命，用O形環(huán)或人字形填料的填料函密封閥桿。根據(jù)介質(zhì)特性也可選擇雙填料密封。
3　填料的選擇
要保證閥門填料的密封性能好、使用壽命長、適應(yīng)范圍廣，其材料必須具備以下各種性能：化學穩(wěn)定性強，不與任何化學物發(fā)生反應(yīng)；摩擦系數(shù)低，耐磨性強，對閥桿磨損?。痪哂辛己玫淖詽櫥?，磨合性好，不與閥桿表面發(fā)生咬黏現(xiàn)象；具有一定的柔軟性；有良好的嵌入性和防震性；在較高的工作溫度下不結(jié)焦、不變質(zhì)、不分解，在較低的溫度下不脆裂。
目前使用的最廣泛的閥門填料是PTFE，因為它幾乎能同時具備以上各種性能，有極好的化學惰性和優(yōu)良的潤滑性。當填料的工作溫度在-40～232℃時首選PTFE，它密封性好，摩擦系數(shù)小，幾乎適用于各種化學藥品、酸、堿等流體和禁油場合。
PTFE可以整體壓制，也可以車制成形(V形環(huán))，整體的V形環(huán)要加彈簧力使它對閥桿具有起碼的欲緊力，并且能自我調(diào)整，不需要填料潤滑，也可以做為石墨填料的潤滑劑。聚四氟乙烯填料的缺點是膨脹系數(shù)高，當介質(zhì)溫度達到300℃以上時，PTFE會急劇膨脹，很容易因摩擦發(fā)熱而抱軸，加劇磨損，縮短了填料壽命，最終導致閥門在短期內(nèi)泄漏；它不能用于熔融狀堿性金屬、高溫的氟化氯和含有氟元素的介質(zhì)，需要極其光滑的閥桿光潔度以正確密封，如果閥桿或填料表面被損壞，會產(chǎn)生泄漏。不可單獨用于結(jié)晶性或含固體顆粒的流體，如果必須使用，應(yīng)在填料函下部安放石墨填料，上部再安放V形PTFE填料。
柔性石墨填料是一種新型的填料 ,它具有密封性、自潤滑性好 ,耐腐蝕 ,耐高低溫和溫度變化影響較小，適用于高溫或低氯含量的場合，常用于高壓蒸汽、水和油品介質(zhì)以及對填料有較高要求的密封介質(zhì)。除發(fā)煙硫酸、濃硝酸等強氧化介質(zhì)外，柔性石墨能耐一切介質(zhì)。使用溫度在-200～600℃，適用于公稱壓力不高于32MPa的工況條件，提供無泄漏操作，有高的熱傳導性和長久的使用壽命，但它對閥桿摩擦力大，通常要使用閥門定位器才能很好工作。它不能用于高濃度、高溫的強氧化劑，如濃硝酸、濃硫酸等介質(zhì)。對于填料函尺寸較小的球閥、旋塞閥則僅用柔性石墨編織填料即可。在流體壓力為負壓的場合，應(yīng)使用反向(開口向上)安裝的V形PTFE填料，對于負壓與正壓交替使用的場合，則應(yīng)采用雙層V形PTFE填料，下層正裝，上層反裝。
H2是易燃物質(zhì)，密度小，易泄漏，因此選擇填料要注意，一般采用V形PTFE與石墨填料組合使用。流體溫度高于200℃的場合，填料函多采用雙重密封的結(jié)構(gòu)。通常使用的非PTFE填料一般為硅基潤滑脂，但在控制氧氣時不準使用潤滑脂。
因此，一般情況下條件滿足優(yōu)先選擇PTFE，不滿足時選石墨。也可以使用混合填料：一是石墨填料和聚四氟乙烯填料混合使用，二是O形環(huán)和V形環(huán)混合使用。滲透性強的介質(zhì)，可選用石墨填料 。
填料的使用條件與填料函結(jié)構(gòu)、工況條件和填料的材料、形式等因素密切相關(guān)。在選擇填料時，應(yīng)根據(jù)具體條件來定。一般來說，壓力與溫度之間只能滿足一個最大值；選擇高溫閥門填料時，應(yīng)首先考慮溫度；對于溫度壓力都不太高的腐蝕性介質(zhì)，應(yīng)優(yōu)先選擇耐蝕性好的材料。
4　結(jié)束語
閥門的密封性能是否良好，對石油化工裝置的安全運行起著重要的決定作用，因此在選用閥門時，應(yīng)根據(jù)具體的介質(zhì)條件、工況要求和閥門類型等，選擇合理的閥桿密封填料。既要做到密封可靠，又要經(jīng)濟合理，以保證石油化工裝置長周期安全運行。
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