控制阀细节分析之密封填料

 引言
 控制阀是终端控制元件，决定着过程控制是否及时有效，在整个控制回路中较为重要但又是长期以来技术比较薄弱的环节。{TodayHot} 
 一个控制系统的控制质量受到组成系统各环节的影响，更取决最薄弱环节的影响，控制阀虽然相对控制系统和过程仪表而言略显简单，但在工业生产过程对控制要求及安全性不断提高的情况下，其必要性、重要性以及在回路中较高的故障频次已引起业内注重。
 控制阀的生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多，质量参差不齐。不同厂家的同类型控制阀的设计差异、技术特点和应用情况如何？也是笔者近期关注的问题，并开始对控制阀做一些探讨。现以部分知名品牌控制阀为例，着重对目前在用量最大、多数厂家都在生产的直通单座球形阀做一些细节分析。本文针对控制阀密封填料的技术细节进行分析探讨。
 密封填料
 控制阀的密封填料由填料函部件和填料组成，是对阀{HotTag}杆运动的动密封，是防止控制阀外漏、保证阀杆正常提升以及维持控制阀静态和动态特性不可忽视的部件。在控制阀运行中所有发生的故障统计中，密封填料泄漏故障率较高，甚至造成工艺系统停车或引发环境污染。
 密封填料的使用由来已久，一些机泵也使用填料作为静、动密封。密封填料部件易于加工、操作简单、价格不高，也使部分厂商在控制阀设计和选用上对其考虑得少一些，细节设计不到位。随着流程工业对控制要求和功能安全要求的不断提高，对控制阀环保场合泄漏量的密封性能、动密封的长久性能和延长检维修周期的要求也不断提高，使控制阀密封填料变得重要起来。如何设计出结构合理、安全可靠的密封填料是国内外多数制造商的议事日程。
 对于直通单座球形阀而言，密封填料也应是要害点。关注控制阀的密封填料，涉及密封理论、填料函结构、填料型式及其组合、应用工况。
 密封理论
 密封填料的设计基于力比较、力平衡原理，使密封填料的密封力大于被密封的阀内压力（流体介质的压力）的作用力。
 根据填料密封时的压力分布理论和各种密封填料实际工况测试，得出下列公式：式中：pr-填料的径向压力；pO-作用在填料压盖的压紧力；K-填料的应力比值；d1-阀杆直径；d0-填料函孔径；s-填料长度；μ1-填料与阀杆间的动摩擦系数；μ2-填料与阀杆间的静摩擦系数；
 密封压力方程式分析以及结合实际应用可知：
 提高填料函和阀杆加工光洁度和表面精度十分重要，尽量不让压紧力pO过多衰减，使径向压力pr能够大于被密封的阀内压力，而光洁度不够就会使内摩擦加大，造成径向压力pr即密封力下降和密封性能变差。填料函和阀杆应采用表面抛光工艺提高光洁度，以及使用滚压技术提高表面硬度。
 合理设计填料函。填料函孔径和阀杆直径的比值d0/d1影响到径向压力，不同的制造商在实际应用中也有不同的相对于阀杆的直径比经验值。
 要选合适的填料长度，并不是越长越好，填料长度s的经验值为1.5倍阀杆直径。
 要考虑到填料的温度特性、形变以及磨损，如采用弹簧加载的设计来保证密封效果。
 填料函设计要合理。根据不同应用选择不同的填料函结构和填料材料，要利于使用和维护。
 填料函
 控制阀的填料函用于安放填料及相关部件， 阀杆弹性动密封，防止阀内过程流体通过运动阀杆表面产生的泄漏。由于阀杆运动时有静摩擦力和动摩擦力，因此要求填料函结构设计满足摩擦力小和耐用性能好。

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