閥門密封性原理
密封就是防止洩漏，那麼閥門密封性原理也是從防止洩漏研究的。閥門的種類繁多，但是基本的作用卻是一致的，那就是連通或者截斷介質流。因此，閥門的密封問題就顯得十分突出。
要保證閥門能夠良好的截斷介質流，不發生洩漏，就要保證閥門的密封完好。而造成閥門洩漏的原因很多，包括結構設計上的不合理、密封接觸面有缺陷、緊固零件發生鬆動、閥體與閥蓋間的配合不緊密等等，所有這些問題都可能導致閥門密封不好，從而產生洩漏問題。所以，閥門密封技術是關係到閥門性能和質量的一項重要技術，需要進行系統深入的研究。
閥門從產生到現在，其密封技術也經歷了很大的發展。到目前為止，閥門密封技術主要體現在兩大方面，即靜密封和動密封。
所謂靜密封， 通常是指兩個靜止面之間的密封，靜密封的密封方法主要是使用墊圈。
所謂動密封，主要是指閥杆的密封，即不讓閥內的介質隨閥杆運動而發生洩漏，動密封的密封方法主要是使用填料函。
閥門類型對密封解決方案的選擇有很大影響。
升杆閘閥的開-關行程通常較長。如果操作較為頻繁，此類長行程線性運動會給密封帶來難度。多數情況下，此類閥門的操作頻度不會超過每星期一次，甚至每年只操作一次。盤根壓蓋、閥杆和填料函之間的間隙非常重要。如果縫隙較大，線性運動會導致部分密封元件被擠入，或拖曳雜質微粒穿過密封元件。因此可在底部裝一個清潔環，有些情況下頂部也可安裝一個。
截止閥較常採用升杆加旋轉運動模式，它的密封難度最大，因為閥杆會同時在兩個方向上同時運動，盤根組會逐步接觸到整個閥杆的表面。閥杆如有任何偏心或失圓，都可能導致盤根元件破損並洩漏。和閘閥的情況相似，線性運動會拖曳雜質微粒穿過密封元件，然後進入工藝流體。
球閥、蝶閥和旋塞閥都是常見的直角迴轉閥門。當閥杆相對於密封元件轉動九十度，閥門即可完成從開到關的整個過程。這樣的運動模式意味著最容易密封，因為它比其它類型閥門的行程小得多。與線性運動模式不同，直角迴轉運動不容易拖曳雜質微粒穿過密封元件。值得關注的是閥杆偏心問題，有些密封元件對於執行器對位不準極為敏感，甚至會導致閥杆密封性能降低。
直角迴轉閥的填料函有許多不同的設計，這往往會導致密封元件的選擇範圍受限制。很多情況下填料函都很淺，高壓工況下很難實現緊密密封。
控制閥的閥杆密封難度通常是最大的，主要原因是操作頻繁，而且閥杆密封應力不能太高。如果一臺控制閥經歷了100,000次閥杆循環操作，那麼系統中其它類型的閥門往往只經歷了1500次。高頻度循環操作會導致密封元件磨損，隨著時間推移會降低密封性能。為了優化流體控制性能，控制閥閥杆不能承受太大摩擦力，因此作用於控制閥的密封應力，明顯低於手動閥門的密封應力。如果密封元件導致閥杆受到過大摩擦力，閥門的動作會滯後或出現速度偏差，並導致閥杆動作過大，流體控制性能降低。
線性控制閥的密封難度高於迴轉控制閥。和直角迴轉閥相似，迴轉控制閥的閥杆動作只有圓周運動一種模式，而且需要密封的閥杆表面積明顯小於線性控制閥。
冶金特種閥的閥杆材質通常相對較軟，選擇密封元件時需注意這點。理想的情況是密封元件材質比閥杆材質更軟，這樣可以最大限度降低閥杆磨損。有些冶金特種閥的壓蓋螺栓屈服強度比較低，需要避免密封元件的載荷接近能夠承受的最大應力。
閥門尺寸同樣也是影響密封元件選擇的一大因素。
就小尺寸閥門而言，閥杆與填料函內壁之間的環形截面較小。有些情況下小不一定是好事，因為它會限制密封元件的選擇範圍。小型閥門的環形截面通常僅有.125”，很難安裝材質堅固、設計新穎的密封元件。
大尺寸閥門也不是說沒問題了。尺寸大可能導致施加在閥杆和盤根組上的載荷過大。閥門振動時，產生的作用力對於標準密封元件可能太大。大型閥門不同截面部位的溫差也較大，可能導致結構變形。
對大多數類型的閥門而言，填料函尺寸最理想的比例是空腔高度大約是橫截面直徑的三至五倍。如果是密封要求不高的直角迴轉閥，即使填料函較淺也能有效密封。太深的填料函首先意味著密封組件容易固結，導致密封應力損失，進而發生洩漏。其次就是對閥杆的摩擦力較高，在有些應用場合會成為阻礙。
根據各種密封系統的具體情況，密封元件和閥體表面處理工藝必須合理匹配。以O型圈為例，需要閥體表面相對光滑，而其它密封元件可能需要比較粗糙的表面才能更好地密封。許多情況下，全新閥門的閥杆表面太光滑，導致摩擦力過大，並和密封元件產生黏-滑效應。低摩擦力的密封元件，例如聚四氟乙烯基(PTFE)密封件可以避免這些不良現象。碳/石墨基密封元件遇到太光滑的表面就可能出問題。此外，填料函空腔的表面處理也應該和密封元件相匹配。
閥門填料閥門密封的關鍵因素
壓縮填料
填料是一種傳統的壓蓋密封,可以採用多種材料製造。用填料裝填填料時,填料在結構上可以為散狀的(通常混合有潤滑劑)；製成一定斷面(一般為矩形,但有時也用圓形截面);切成適當長度繞成螺旋狀的或者作為切製圖,裝在壓蓋上的成型件。無論採用哪種結構,都是靠壓緊壓蓋,迫使填料緊壓在密封表面上而取得密封作用的。填料壓蓋的工作原理,如圖1所示。
圖1
由於壓緊壓蓋所形成的壓緊力產生一種造成密封效果的徑向壓力。徑向壓力沿整個填料長度按指數曲線分佈。為了保持填料的“幹”狀態,內側圈上的徑向壓力至少要等於系統的內壓力,這就意味著外側圈上的徑向壓力高得多,在大多數用途中是過高的(導致過大的摩擦,軸磨損和氣動密封件失效)。因此,在大多數使用中,要將壓緊力調整到允許最末一個圈填料稍有一點洩漏,也就是說這個環上的徑向壓力稍微低於系統的內壓力。然而,這樣一來,如果將壓蓋調整到不產生洩漏的最小壓縮程度時,則大多數填料圈上就將出現一些洩漏。
使最佳壓蓋壓緊問題變得複雜的另一個因素是,某些填料在使用狀態下會產生膨脹,例如,當溫度升高時,便有可能遇到這種情況,這樣在壓蓋上加上很小一點預緊力,可能是必要的。另外,為了補償填料的磨損和鬆弛以及為了保持一個滿意的密封,有必要定期地重新壓緊壓蓋。
採用普通的填密材料時,產生的徑向壓力與壓緊壓蓋時所加的軸向壓力之比約為0.6~0.7,沿整個填料函的典型徑向壓力,如圖2所示。
圖2
對許多應用來說,填料仍是主要選擇,特別是對用到大型填料函和重載的場合,例如流程泵、供汽和重力水處理等,尤其如如此。填料密封還有這樣一種優點,即它們除了能用於往復用途外,還能用於旋轉場合。對於許多往復工作來說,特別是在大型、重載的應用場合,撓性密封組件或單個密封件是可以代替填料的,除非要求洩漏達到最小的情況下,可能機械軸封更適宜。然而,值得注意的是,隨著機械密封件的廣泛使用,並未顯出有對壓籃填料密封減少需要的跡象。
填料基本上是柔軟(可變形的)斷面,不過其柔軟度是有很大差異的。填料幾平總是含有有潤滑劑的,並且在使用過程中,隨著過度受壓或過熱,便會損失潤滑劑,填料的體積隨之小,徑向壓力下降,從面導致洩露。
在潤滑有問題的地方,或填料函需要一定程度冷卻的地方,可以向填料函中央供入附加潤滑劑/冷卻劑,如圖3所示。
圖3
通過這種方法致冷的程度是有限的,而在溫度較高時,為了保持填料函的工作溫度不超出填料的使用溫度極限,可能不得不對整個填料函體行工作冷卻。
由於纖維需要高壓收縮成由於缺少適當的潤滑都會引起較大的摩擦和過熱現外加積滑/等象,由此面會產生許多問題,這類問題可通過採用最近研製的以用聚四氟乙烯塗散的芳族酰酸纖維為基的填料來解決。
填料尺寸
壓縮填料一般具有大致呈方形的斷面(不過圖形編織填料,可用在往復活塞桿
和閥杆上;散狀填料可用於密封閥和某些泵的填料函)。因此,大多數填料都製成6mm(1/46in)“見方”以上的標準斷面尺寸。斷面尺寸在很大程度上是隨意定的
但是作為一般準則,當軸徑尺寸為12mm(1/2in)時,溝槽寬度約為軸(或杆)徑的25%,當軸徑約為150mm(6in)時,溝槽寬度減少到軸徑尺寸的10%。
至於填料圈數以多少為最佳也並無一定之規,不過對於一般工作來說,採用4圈或5圈方圈是典型的，如圖4、圖5所示 ：
圖4
圖5
填料函結構
如圖5a所示，處理有壓力的清潔無磨粒流體的填料函結構是很簡單的。具體的要求是在填料函口處要保證有適當導錐,以利於在裝配時不損壞填料,同時還要求填料函表面有相當好的表面光潔度。一般認為2.5um(64uin)Ra即滿足大多數使用要求。
在被密封介質中含有磨粒的應用場合,希望儘量不要使磨粒進入填料密封區。這可通過經填料函中央的孔環引入適當的沖洗液,如圖5b所示。應該指出,在這種情況下所控制的洩漏是沖洗液的漏液、由於經向壓力的分佈,沖洗液還會回洩到介質中去。在不可能利用適當的液體進行沖洗的地方,採用潤滑脂沖洗是個辦法,如圖5c所示。在此種情況下,潤滑脂必需潔淨,同時能與介質相容。
圖6
圖6示出了另外兩種填料函結構。在圖6a中,被處理介質的壓力低於大氣壓力,因此需要一種液體屏障來防止空氣通過填料函進入介質。這種液體屏障從介質出口引來經孔環送入填料函。在這種情況下所控制的洩漏是介質的洩漏。
圖6b中被處理介質是有毒的或危險的,所以也採用一種沖洗式填料函來供給主要的屏障。這靠在填料壓蓋上的一個遏止通路(沖洗環路)來支援,同時靠一個輔助填料題來杜絕洩漏。
傳統材料
以潤滑纖維繩為基礎的傳統形式的填料仍是很常見的,並且一直被廣泛使用。這種填料所採用的材料範圍相當廣(參見表1A,其中僅列出了部分材料),同時又因為引入合成維繩來改進某些性能,進一步擴大了這一範圍,不過,實踐證明,人造絲和尼龍的優點是有限的。
植物纖維一般適用於工作溫度不大於90℃,摩擦速度適中(不高於8m/s)的油水和非腐蝕性的化學介質。棉花和亞麻是使用最廣的纖維,大麻次之。苧麻、黃麻和劍麻基本上消失了。
石棉繩對溫度較高的使用條件(達320"C)和較高的摩擦速度來說是傳統的選用材料。當然,石棉對人體健康有害的問題確是一個令人關心的課題,而且青石棉實際上已停止使用了。不過青石棉有較好的抗腐蝕性能。對白石棉(水合硅酸鎂石棉)很少有人提出異議,白石棉已成為目前用於石棉類填料的最重耍繩材,特別是用作纖維材料,在製造填料過程中,通過浸漬處理被牢固地粘合起來,不會散放出石棉粉塵,石棉粉塵是被引證的危害健康的主要根源。
傳統潤滑劑
除了實際上需要乾式填料的特殊使用場合外,纖維繩填料中總是摻有潤滑劑的。
石墨是一種常被加入填料斷面中的潤滑劑,用於許多在乾燥條件下工作或與非潤滑性流體接觸使用場合中,能提供良好的自潤滑作用。因此,石墨潤滑劑特別適用於供應蒸汽、水,特別是含鹽水的設備。然而,在某些情況下,有鬆散的石墨存在可能是有害的；或者當填料與不鏽鋼杆在一起相對運行時,由於電解作用,石墨可能要對鋼材造成局部腐蝕。能夠解決這一問題的另一種可供使用的潤滑浸潰劑是雲母。這些潤滑劑,連同二硫化鉬和聚四氟乙烯一起,迄今仍是標準的“乾式”潤滑劑。
像牛脂一類的傳統“混式”潤滑劑已為礦物油油、黃黃油、石蠟和肥皂所取代。硅酮潤滑脂專門與石棉填料一起用於高溫使用場合,不過目前認為是不適用於在與食品和飲水有接觸的場合了。在這這類使用場合所採用的潤滑劑通常用的潤滑劑的百分比雖使用情況的不同而變化。因此，準備用於高速運動，特別是高速旋轉運動場合的填料一般應較為柔軟的,以便長時間地保持柔性和能夠含有較大百分比的潤滑劑。僅在靜態使用條件下工作的填料,一般完全不必加入潤滑劑。用於往復運動場合的填料，可以用耐磨金屬絲來增強，而不是加入潤滑劑，也許有石墨外包皮。其他品種的填料可能既利用耐磨的軟金屬絲增強，同時也浸塗潤滑劑。耐磨軟金屬絲的數量應該既能保證軸的連續潤滑，又能幫助從工作表面導熱。
繩填料與編織填料
編繩填料是由按傳統的或經改進的編繩方式編結成的多股線繩構成的,每股繩之形成一個保持潤滑劑的空隙。繩層可根據具體的工作條件搭配,例如用於旋轉密封件時，按照軸的旋轉方式編結，以使個別纖維的磨損不致嚴重影響填料斷面的整體性能。
編結填料可以按兩種不同的方法構成。連續的編織填料是由按管狀編織在一起的單股紗構成的,以相似的方式一層壓一層地製成所需要的斷面。另一種是斜紋編織方式（作為一種變形還有網格編織方式),兩種方式都可製成較緻密的填料,這種填料表面密度較高；但保持潤滑劑的空較小,因此在填料不發生剝裂情況下,比編繩纖維(像一種編填料)具有更好的不遺性能。
圖7
輸織斷面可以編成方形成圓形的。在後一種情況下,通常是在編織並浸潤滑劑以後,使其簡單地通過一個提輪拉模而製成方形斷面的。在實踐當中,製造商發展了各自特殊形式的編繩或編織型填料結構,例如交又型編繩填料( Crossley)或超級編繩填填料( Latty International)，旨在克服普通的或“典型”的編織填料的缺點。圖7表明了精心研製的兩種斷面的例子,具有耐用、均勻和不滲透的優點,同時還具有良好的柔性。
現代石墨化石棉填料
石墨化石棉填料的出現歸因於在生產一種石墨和石棉的直接接混合物,而不是在製造表面塗層過程中的一些最新研究工作,這種填料具有優良的潤滑,較冷的運行,較低的摩擦,良好的高溫性能。
聚四氯乙烯填料
具有極好的抗化學侵蝕能力的聚四氟乙烯,作為一種低摩擦材料的傑出性質,使其成為一種用來製作填料的有吸引力的選擇材料。這種材料特性的不利一面是強度低，熱傳導性不良以及隨溫度的升高而有收縮的傾向(即具有負的熱膨脹係數)。當這種材料與作為潤滑劑的繩填料(通常是石棉繩)結合使用時,其熱收縮特性使材料的最大摩擦速度限制在大約8~10m/s,最高使用溫度限制在大約250~290C
不過,熱傳導性可以通過入石墨來改善,利用擠壓方法制成的聚四氟乙烯/石墨填料屬於最吸引人,最有用的現代填料類型之列,比普通繩填料具有更好的性能,特別是在壽命和減少軸或杆的損方面尤為如此。
閥門的朝向和所處位置也是影響密封性能的重要因素。
和垂直安裝相比，橫向安裝閥門容易產生過大的側向載荷。有些閥門安裝在不停振動著的管線或平臺上，如果給閥杆提供輔助支撐，對保持其密封性能是有利的。有些閥門靠近高溫設備，熱輻射對密封性能有負面影響。
閥門內的工藝流體也是要關注的對象。
化學兼容性很重要；磨蝕性流體中的微粒可能導致密封元件性能下降。通常處於底部的密封元件，密封效果會比上層的差些，因為壓蓋施加的載荷只有一部分能傳遞到底部。在此情況下，介質內的微粒會進入密封元件，使其性能下降。含有懸浮顆粒的流體，會在盤根靠近外界空氣的一側蒸發和結晶，導致執行機構出問題。當流體被密封元件密封隔離，兩側會發生壓力降，流體可能發生相變。相變時的膨脹非常劇烈，密封元件必須足夠堅固才能承受相變產生的作用力。以低硬度O型圈為例，較容易在此類流體中損壞，尤其是小分子流體。
流體溫度是必須考慮的要素。
如果低於550℉，可以採用聚四氟乙烯(PTFE)和Aramide芳綸纖維等高分子聚合物。O型圈常用於400℉以下的非苛刻工況。550℉以上的高溫流體常用碳石墨盤根。在較低溫度中，碳石墨盤根需要更大的密封應力，導致閥杆摩擦力更大。和其它材質相比，能承受的循環載荷較低。
在850℉以上的極高溫度中，碳石墨盤根以及用於增強材質密封性能的有效成分，會在氧化氣氛中劣變。對策是利用延長閥蓋拉開填料函與閥體的距離，減小高溫介質對盤根的影響。低導熱率零件也能降低密封元件的溫度，例如在填料函和密封元件之間安裝陶瓷墊圈。
低溫和深冷工況中，由於材質會變脆，強度降低，適用的密封材質有限。如果介質是液氨，通常要求BAM型式認證，即密封元件的清潔度必須符合標準。
壓力越高無疑越難密封。由伯努利方程可知，流率的變量與壓力變量的平方成正比。這就很容易理解，1500磅級閥門的密封難度遠高於150磅級的閥門。在高壓應用場合，尤其需要確保載荷、密封元件設計能和密封性能要求相匹配。
有些閥門在開關時，整棟樓甚至都會一起振動，有些閥門每年運行一百多萬次，有些卻難得運行一回。閥門的操作次數當然需要關注，而行程的長短也很重要。控制閥的行程通常很短，大型電動閥門行程可能較長，操作較頻繁。和處於溫度變化環境中的閥門相比，穩態溫度環境中的閥門較容易密封。這其中當然有工藝介質的原因，但過冷或過熱的環境顯然會增加密封難度。
所有關注點中最重要的無疑是對密封性能的要求。許多行業，尤其是水處理行業，可以允許一定程度的可視洩漏。洩漏物質中攜帶有固態微粒，一旦堆積後可以堵住洩漏點。這樣的狀況是可以接受的，因此微量洩漏沒有很大危害。在其它一些行業，可視洩漏就是個大問題。但對於不可視洩漏，一般僅限於按照工廠常規方法進行檢測。對於密封元件的逸散洩漏要求就高得多，而且通常都會頻繁進行測試和/或監測。其洩漏一般是非可視狀態，計量單位是百萬分之(PPM)，而且標準越來越苛刻了。有些流體的危害性極大，例如致癌物質，有些甚至僅微量就會致命。對此需要採取額外預防措施、後備系統、雙密封系統，並在兩道系統間設置漏失孔以便監測。波紋管密封閥門具有後備密封系統，可以用於此類危險流體。
希望上述內容有助於釐清特定閥門和工況所對應的各種變量，以便選擇最適用的密封技術。歷史經驗無疑有寶貴參考價值，但如果需要更長的使用壽命、更高的可靠性或密封性能，那麼全面考量上述各項因素將有助於甄別權衡的重點。相信掌握的信息越全面，越有助於選擇最合適的密封方案。
