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(shù)比較薄弱的環(huán)節(jié)。
一個控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量受到組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的影響，更取決最薄弱環(huán)節(jié)的影響，控制閥雖然相對控制系統(tǒng)和過程儀表而言略顯簡單，但在工業(yè)生產(chǎn)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(yè)內(nèi)注意。
控制閥的生產(chǎn)廠家眾多，造成控制閥品種多、規(guī)格多、參數(shù)多，質(zhì)量參差不齊。不同廠家的同類型控制閥的設(shè)計差異、技術(shù)特點和應(yīng)用情況如何？也是筆者近期關(guān)注的問題，并開始對控制閥做一些探討。現(xiàn)以部分知名品牌控制閥為例，著重對目前在用量最大、多數(shù)廠家都在生產(chǎn)的直通單座球形閥做一些細(xì)節(jié)分析。本文針對控制閥密封填料的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)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(yùn)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(tài)和動態(tài)特性不可忽視的部件。在控制閥運(yùn)行中所有發(fā)生的故障統(tǒng)計中，密封填料泄漏故障率較高，甚至造成工藝系統(tǒng)停車或引發(fā)環(huán)境污染。
密封填料的使用由來已久，一些機(jī)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(shè)計和選用上對其考慮得少一些，細(xì)節(jié)設(shè)計不到位。隨著流程工業(yè)對控制要求和功能安全要求的不斷提高，對控制閥環(huán)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(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、安全可靠的密封填料是國內(nèi)外多數(shù)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(yīng)是關(guān)鍵點。關(guān)注控制閥的密封填料，涉及密封理論、填料函結(jié)構(gòu)、填料型式及其組合、應(yīng)用工況。
密封理論
密封填料的設(shè)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(nèi)壓力（流體介質(zhì)的壓力）的作用力。
根據(jù)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(yīng)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(shù)；
μ2-填料與閥桿間的靜摩擦系數(shù)；
密封壓力方程式分析以及結(jié)合實際應(yīng)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(nèi)壓力，而光潔度不夠就會使內(nèi)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(yīng)采用表面拋光工藝提高光潔度，以及使用滾壓技術(shù)提高表面硬度。
●合理設(shè)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(yīng)用中也有不同的相對于閥桿的直徑比經(jīng)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(jīng)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(shè)計來保證密封效果。
●填料函設(shè)計要合理。根據(jù)不同應(yīng)用選擇不同的填料函結(jié)構(gòu)和填料材料，要利于使用和維護(hù)。
填料函
控制閥的填料函用于安放填料及相關(guān)部件，提供閥桿彈性動密封，防止閥內(nèi)過程流體通過運(yùn)動閥桿表面產(chǎn)生的泄漏。由于閥桿運(yùn)動時有靜摩擦力和動摩擦力，因此要求填料函結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計結(jié)構(gòu)，也是最常見的結(jié)構(gòu)。
各廠家控制閥的填料函基本上都設(shè)計在上閥蓋，但安放填料型式和填料壓緊方法有不同。
（a）SAMSON 3241型控制閥
（b）FISHER GX型控制閥
（c）FISHER easy-E控制閥
（d）ARCA 08C控制閥 （e）山武Cv3000控制閥
（f）本山20控制閥 （g）工裝501T控制閥
圖1 部分廠家直通控制閥填料設(shè)計結(jié)構(gòu)
控制閥模塊化設(shè)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(jié)構(gòu)具有零部件通用性和數(shù)量少的特點，整體設(shè)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(xué)腐蝕，則在填料函內(nèi)加一不銹鋼襯套。
標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計為裝填一組不同車制成形的PTFE-V型填料環(huán)以及使用不銹鋼彈簧加載提供預(yù)緊力。FISHER則是在壓緊螺絲下設(shè)置一組彈簧片，透過導(dǎo)向套給填料提供壓緊力。
一些早期設(shè)計的控制閥（包括國產(chǎn)絕大多數(shù)控制閥）一般都采用壓蓋法蘭、填料壓蓋、螺栓緊固的壓緊結(jié)構(gòu)，如FISHER的easy-E系列、山武、本山、工裝等。這種結(jié)構(gòu)部件數(shù)量較多且無通用性，也容易由于壓蓋法蘭兩側(cè)螺栓緊固程度不同而調(diào)偏壓蓋致使偏磨閥蓋和增加摩擦力。為此，一些廠家設(shè)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(fù)雜性，效果并不十分理想。
目前很多廠家設(shè)計的密封填料系統(tǒng)無需外加潤滑，在廠內(nèi)裝配時一般給填料加有潤滑脂。廠家標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(chǎn)生一定的徑向力并緊密與閥桿接觸。
●有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性。不污染介質(zhì)，填料不被介質(zhì)泡脹，填料中的浸漬劑不被介質(zhì)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(shù)小。
●當(dāng)閥桿出現(xiàn)少量偏心時，填料應(yīng)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(zhì)，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(fù)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(qiáng)型PDR0.8、碳纖復(fù)合材料PEEK、乙縮醛ACETAL和超級聚乙烯UHMWPE。填料可制成環(huán)狀（車制或壓制）或絲狀（編織）等。成形環(huán)狀的填料，密封性能好，但裝填麻煩一些。若是開口環(huán)，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(xué)腐蝕性能好，有較低的摩擦系數(shù)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(huán)狀，V型加工成形有60°（一般場合）和90°（高壓場合）結(jié)構(gòu)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(yīng)用。
圖2為SAMSON 240系列標(biāo)準(zhǔn)型密封填料。壓緊螺絲和耐腐蝕的不銹鋼彈簧提供預(yù)緊力，為消除內(nèi)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(huán)，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(huán)上表面和接觸墊片的第五個V環(huán)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(hù)，耐用性很好。
（a）240系列標(biāo)準(zhǔn)型密封填料 （b）250系列標(biāo)準(zhǔn)型密封填料
圖2 SAMSON 控制閥標(biāo)準(zhǔn)型密封填料
SAMSON的250系列（高壓）標(biāo)準(zhǔn)型密封填料設(shè)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(huán)、四個墊片和一個加載彈簧（圖2 b）?？趶讲煌?，金屬套環(huán)數(shù)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(yīng)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(huán)替代彈簧的位置，壓緊力僅由壓緊螺絲進(jìn)行調(diào)整。
在細(xì)節(jié)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(dǎo)向嵌入閥蓋下部，密封填料的彈簧直接坐落在導(dǎo)向套的上平面，這樣設(shè)計易于加工，而且零部件數(shù)量最少，整個密封填料系統(tǒng)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(dú)立閥蓋內(nèi)，最下端是一個金屬套環(huán)，然后再裝彈簧，部件數(shù)量也較少。
在填料的選擇上，SAMSON除了標(biāo)準(zhǔn)型密封填料外，還有適應(yīng)不同工況的型式A（用于易結(jié)晶或聚合物）、型式B（無碳化物PTFE，用于易結(jié)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。
（a）彈簧加載 （b）壓蓋壓緊式
圖3 FISHER EZ控制閥的密封填料
圖3為FISHER EZ控制閥的密封填料，這也是很典型的設(shè)計，很多廠家產(chǎn)品的此部件設(shè)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(huán)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(yīng)對中和壓緊力傳遞均勻。在填料的選擇上，F(xiàn)ISHER也富有經(jīng)驗，PTFE-V型、PTFE/復(fù)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(shè)計的密封填料的部件數(shù)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(nèi)螺紋的孔。
結(jié)束語
從控制閥密封填料這個技術(shù)細(xì)節(jié)看，不同填料函和填料結(jié)構(gòu)用于不同的工況，合理設(shè)計和選用填料函和填料結(jié)構(gòu)可在所需的工況和復(fù)雜條件下達(dá)到密封目的。不同廠家的控制閥有各自的細(xì)節(jié)特點。每一部件的優(yōu)化改進(jìn)，增強(qiáng)通用性，提高可靠性以及功能安全和方便維護(hù)，就能夠滿足日益增長的用戶需求和安全、環(huán)保要求。
細(xì)節(jié)決定成敗。以整體優(yōu)化為出發(fā)點，多個考慮細(xì)致、創(chuàng)新技術(shù)、功能優(yōu)化、質(zhì)量可靠的細(xì)節(jié)就能組成應(yīng)用方便、靈活、安全、用戶易于接受并滿意的控制閥產(chǎn)品。
