劉海杰 田瑞青

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

閥門密封始終是閥門設(shè)計(jì)中關(guān)注的問(wèn)題。由于需要實(shí)現(xiàn)閥門的“零泄漏”，因此選用了可適用于高溫高壓環(huán)境下的石墨填料密封。

國(guó)內(nèi)外對(duì)填料密封均作了大量研究分析，劉興玉、郝木明等人[1-2]對(duì)填料進(jìn)行了理論分析，研究了填料的壓力分布規(guī)律，其中郝木明對(duì)石墨填料進(jìn)行微元分析，得出了側(cè)壓系數(shù)的計(jì)算公式；宋鵬云、肖光凱等人[3-4]分別對(duì)填料分析中側(cè)壓因數(shù)進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究，勵(lì)行根等人[5]對(duì)柔性石墨填料密封性能進(jìn)行了研究，重點(diǎn)通過(guò)試驗(yàn)比較了平口和V口組合填料的摩擦力和泄漏率的不同，蔡仁良[6]在其著作中提到了國(guó)外作者W. Ochonski提出的軟填料的壓縮率計(jì)算公式，洪小飛等人[7]提出了高參數(shù)閥門泄漏問(wèn)題的維修更改方法。以上這些均對(duì)本次填料密封的設(shè)計(jì)提供了非常有益的指導(dǎo)。

1 填料密封的結(jié)構(gòu)

填料密封是用填料填塞泄漏通道，阻止泄漏的一種密封形式。填料密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。密封原理從理論上講就是填料對(duì)閥桿的壓力大于工質(zhì)壓力；從機(jī)理上講，主要是“軸承效應(yīng)”和“迷宮效應(yīng)”。軸承效應(yīng)即是填料與閥桿擠壓，由于石墨具有壓縮性和潤(rùn)滑性，所以填料與閥桿的情況類似轉(zhuǎn)子與軸承，二者之間充滿潤(rùn)滑劑，既可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也具有密封作用。迷宮效應(yīng)，即是由于閥桿表面光潔度原因，石墨填料和閥桿只是部分貼合，部分留有間隙，再加上各級(jí)填料環(huán)的存在，這些間隙基本相互隔斷，類似迷宮帶，對(duì)氣流有節(jié)流降壓作用。

1—編織填料 2—膨脹石墨填料 3—填料壓蓋 4—壓蓋法蘭 5—壓蓋螺栓 6—閥桿 7—壓蓋螺母 圖1 閥門填料密封結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of valve stuffing seal

2 閥門填料密封計(jì)算分析

2.1 壓力分布計(jì)算

根據(jù)密封原理得知填料受壓，自身產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，從而擠壓閥桿，和閥桿之間產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)此壓應(yīng)力大于工質(zhì)壓力即可密封。按照?qǐng)D1常用的密封結(jié)構(gòu)對(duì)填料受力進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2。設(shè)軸向壓力為Py，對(duì)y處的填料微元進(jìn)行受力分析，得出微元方程：

π(D2-d2)Py4=πdμ1Px1dy+πDμ2Px2dy+

π(D2-d2)(Py+dPy)4

(1)

式中，μ1、μ2分別為填料和閥桿、填料函(閥蓋)的靜摩擦系數(shù)，d為閥桿直徑，D為填料函直徑。填料和閥桿、填料函(閥蓋)的徑向應(yīng)力分別為Px1、Px2：

Px1=K1Py，Px2=K2Py

(2)

式中，K1、K2分別為填料和閥桿、填料函(閥蓋)的側(cè)壓系數(shù)，即徑向壓力與軸向壓力的比值。

由上式(1)和(2)，整理可得：

Py=Py0e-βy

(3)

Px1=K1Py0e-βy

(4)

Px2=K2Py0e-βy

(5)

由(3)～(5)式得出：

從以上三式可以看出軸向填料軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的分布情況，如圖3所示，沿y向呈指數(shù)分布，逐漸減小。當(dāng)y=h時(shí)，有Pxh=工質(zhì)壓力P0，則此處為密封臨界點(diǎn)，y≤h為密封有效區(qū)域，h稱為有效密封長(zhǎng)度。H-h區(qū)域?yàn)槊芊馐^(qū)。因此設(shè)計(jì)時(shí)須控制無(wú)效密封長(zhǎng)度，否則增大摩擦力，對(duì)密封無(wú)多大意義。但一般來(lái)說(shuō)會(huì)有一些密封裕量，即允許存在少量的無(wú)效密封區(qū)。

1—閥桿 2—填料 3—填料函(閥蓋)圖2 填料密封受力分析Figure 2 Force analysis on stuffing seal

圖3 填料壓力分布
Figure 3 Distribution of stuffing pressure

2.2 側(cè)壓系數(shù)

文獻(xiàn)[3]通過(guò)理論分析得出側(cè)壓系數(shù)K1、K2的理論關(guān)系，如下：

(6)

側(cè)壓系數(shù)的確定都是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的，比如文獻(xiàn)[4]即通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了不同軸向壓力下的側(cè)壓系數(shù)，如圖4所示。

圖4 文獻(xiàn)[4]側(cè)壓系數(shù)數(shù)據(jù)Figure 4 Side pressure coefficient data of the document [4]

從圖4中可以看出，K1、K2總體接近，隨軸向壓力增加而增加，到25 MPa左右時(shí)與加載軸向力關(guān)系不再明顯，K1、K2總體介于0.6～0.9之間。但不同的試驗(yàn)有不同的結(jié)果，一般情況下K1、K2在0.5～1.0之間變化。本次計(jì)算簡(jiǎn)化處理，采用側(cè)壓系數(shù)為K1為0.8，K2則采用公式(6)進(jìn)行計(jì)算(也可以認(rèn)為兩者相等，計(jì)算更簡(jiǎn)化)。

3 摩擦力計(jì)算

填料和閥桿的摩擦力是一個(gè)很重要的問(wèn)題。一方面摩擦力會(huì)對(duì)填料本身造成磨損，影響密封性，另一方面可能影響閥門的開(kāi)關(guān)以及閥門的調(diào)節(jié)靈敏度，甚至出現(xiàn)閥桿卡澀、抱死現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]中通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了不同軸向壓力不同多次往復(fù)情況下的摩擦力，見(jiàn)圖5，其填料尺寸外徑為?45.6 mm，內(nèi)徑?30 mm，高度10 mm，填料總高度為50 mm，此次項(xiàng)目填料尺寸分別為56 mm、40 mm和6 mm，尺寸接近，具有參考意義。

圖5 文獻(xiàn)[5]摩擦力數(shù)據(jù)Figure 5 Friction data of the document [5]

從圖5中可以看出，隨著往復(fù)次數(shù)的增加，摩擦力逐漸增大，說(shuō)明磨損量會(huì)增加摩擦系數(shù)，增加摩擦力。在30 MPa的軸向力下，摩擦力就有5000 N左右，文獻(xiàn)[9]提到摩擦力矩可以占到閥門開(kāi)啟關(guān)閉力矩的14%～26%。因此，有必要通過(guò)詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其他工藝加工措施降低閥桿摩擦力。

其計(jì)算公式為：

(7)

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)初始計(jì)算發(fā)現(xiàn)，填料高度H不宜過(guò)大，否則摩擦力太大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以3～5圈為宜，過(guò)多則摩擦力過(guò)大，且對(duì)密封意義不大，過(guò)小則密封長(zhǎng)度有限。其結(jié)構(gòu)采用圖1所示常用結(jié)構(gòu)，即設(shè)置壓蓋和兩個(gè)螺栓。實(shí)際過(guò)程中，軸向應(yīng)力是通過(guò)施加螺栓預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)相關(guān)計(jì)算公式[8]，得到相應(yīng)的軸向應(yīng)力。初始設(shè)計(jì)分別設(shè)計(jì)4、5、6圈填料下不同螺栓預(yù)緊力的計(jì)算情況，見(jiàn)表1、表2和表3。

表1 4圈填料(H=24mm)計(jì)算表Table 1 Calculation of four circles stuffing (H=24 mm)

表2 5圈填料(H=30mm)計(jì)算表Table 2 Calculation of five circles stuffing (H=30 mm)

表3 6圈填料(H=36mm)計(jì)算表Table 3 Calculation of six circles stuffing (H=36 mm)

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，密封長(zhǎng)度由軸向應(yīng)力決定，可參見(jiàn)計(jì)算分析。其中表1預(yù)緊力45 N·m時(shí)密封長(zhǎng)度為24 mm，與表2、表3不同，這是因?yàn)楸?僅僅只有4圈填料、24mm的長(zhǎng)度，但表2、表3計(jì)算的密封長(zhǎng)度則相同。此種情況，密封長(zhǎng)度大于填料總高度，表示此種情況沒(méi)有無(wú)效密封區(qū)。

以圖表的形式表示出不同填料圈數(shù)預(yù)緊力(軸向應(yīng)力)摩擦力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)圖6。

圖6 計(jì)算預(yù)緊力-摩擦力數(shù)據(jù)Figure 6 Calculated data of pretightening force-friction

由圖6可知，同樣的預(yù)緊力下圈數(shù)越多摩擦力越大，同樣的圈數(shù)下預(yù)緊力越大摩擦力越大。同時(shí)很容易發(fā)現(xiàn)，摩擦力與預(yù)緊力明顯呈線性關(guān)系。但截取圖5中試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，二者關(guān)系并非線性，而是偏指數(shù)變化，見(jiàn)圖7。造成此種差別的主要原因應(yīng)是側(cè)壓系數(shù)，由圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，側(cè)壓系數(shù)隨軸向力增加而增加，而計(jì)算中假定側(cè)壓系數(shù)為常數(shù)。

圖7 圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)Figure 7 Testing data of theFigure 5

目前常用的填料結(jié)構(gòu)并非單一的柔性石墨填料，而是組合填料。組合填料由兩種填料組成，前后兩端為金屬絲編織加強(qiáng)的石墨填料環(huán)，中間部分為高純度的柔性石墨環(huán)。前后兩端填料環(huán)偏向于支持中間的石墨環(huán)，并防止流體中細(xì)微顆粒進(jìn)入密封間隙或阻止石墨擠壓進(jìn)入密封腔內(nèi)；而中間部分則偏向于密封作用。因此4圈填料實(shí)際起到密封作用的只有2圈，總長(zhǎng)度12 mm，相對(duì)偏少；從摩擦力角度看，6圈填料顯然高于5圈填料，但對(duì)于密封性無(wú)提升。因此，選擇5圈填料?？紤]到金屬絲編織填料的作用，選擇密封長(zhǎng)度為22 mm和28.8 mm的情況，此時(shí)摩擦力分別為5812 N和6539 N，螺栓給定預(yù)緊力為40 N·m和45 N·m。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于閥門振動(dòng)、螺栓松弛等因素，螺栓的拉力會(huì)不斷降低，影響密封性，甚至造成泄漏。文獻(xiàn)[6]提到了活載荷結(jié)構(gòu)，即在螺母下安裝碟簧，保持螺栓預(yù)緊力的穩(wěn)定性。采用這種改進(jìn)措施解決了高參數(shù)閥門的泄漏問(wèn)題。

基于以上分析計(jì)算，填料密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖8所示，設(shè)置2個(gè)M16的壓緊螺栓，給定預(yù)緊力40 N·m ～45 N·m，并設(shè)置碟簧保持螺栓預(yù)緊力。填料為組合填料：2圈金屬絲編織石墨填料+3圈高純?nèi)嵝允盍稀?/p>

1—閥桿 2—碟簧 3—填料函(閥蓋) 4—金屬絲編織石墨填料 5—壓緊螺栓 6—壓緊螺母 7—填料壓蓋 8—高純?nèi)嵝允盍蠄D8 填料密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Figure 8 Design structure of stuffing seal

5 結(jié)論

介紹了填料密封的結(jié)構(gòu)原理和理論計(jì)算，重點(diǎn)分析了填料壓力分布，也指出了設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題。如設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)關(guān)注摩擦力、填料總高度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置碟簧等類似的結(jié)構(gòu)，以保持螺栓預(yù)緊力；填料密封采用組合填料密封，更好地發(fā)揮作用。這些都為以后設(shè)計(jì)填料密封提供了有益的參考。