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阀门填料密封的关键因素

2021.07.07
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压缩填料


填料是一种传统的压盖密封,可以采用多种材料制造。用填料装填填料时,填料在结构上可以为散状的(通常混合有润滑剂);制成一定断面(一般为矩形,但有时也用圆形截面);切成适当长度绕成螺旋状的或者作为切制图,装在压盖上的成型件。无论采用哪种结构,都是靠压紧压盖,迫使填料紧压在密封表面上而取得密封作用的。填料压盖的工作原理,如图1所示。


图1

由于压紧压盖所形成的压紧力产生一种造成密封效果的径向压力。径向压力沿整个填料长度按指数曲线分布。为了保持填料的“干”状态,内侧圈上的径向压力至少要等于系统的内压力,这就意味着外侧圈上的径向压力高得多,在大多数用途中是过高的(导致过大的摩擦,轴磨损和气动密封件失效)。因此,在大多数使用中,要将压紧力调整到允许最末一个圈填料稍有一点泄漏,也就是说这个环上的径向压力稍微低于系统的内压力。然而,这样一来,如果将压盖调整到不产生泄漏的最小压缩程度时,则大多数填料圈上就将出现一些泄漏。


使最佳压盖压紧问题变得复杂的另一个因素是,某些填料在使用状态下会产生膨胀,例如,当温度升高时,便有可能遇到这种情况,这样在压盖上加上很小一点预紧力,可能是必要的。另外,为了补偿填料的磨损和松弛以及为了保持一个满意的密封,有必要定期地重新压紧压盖。

在滇北找矿。小分队一共人,其中4名警卫战士每人配备一支冲锋枪。一天,出发前,一位纳西族老乡搭我们的车去维西。那天路上积雪很大,雪下的路面坑洼不平,车子行驶一段就会被雪坞住。我们不得不经常下来推车。就在我们又一次下车推车的时候,一群褐黄色的东西慢慢向我们靠近。我们正惊疑、猜测时,纳西族老乡急喊:“快、快赶紧上车,是一群狼。”司机小王赶紧发动车,加大油门……但是很不幸,车轮只是在原地空转,根本无法前进。这时狼群已靠近汽车……大家看得清清楚楚——8只狼,个个都象小牛犊似的,肚子吊得老高。战士小吴抄起冲锋枪,纳西族老乡一手夺下小吴的抢。比较沉着地高声道:“不能开枪,枪一响,它们或钻到车底下或钻进树林,狼群会把车胎咬坏,把我们围起来,然后狼会嚎叫召集来更多的狼和我们拼命。”他接着说:“狼饿疯了,它们是在找吃的,车上可有吃的?”我们几乎同声回答:“有。”“那就扔下去给它们吃。”老乡像是下达命令。从来没有经历过这样的事,当时脑子里一片空白,除了紧张,大脑似乎已经不会思考问题。听老乡这样说,我们毫不犹豫,七手八脚把从丽江买的腊肉、火腿还有十分珍贵的鹿子干巴往下丢了一部分。狼群眼都红了,兴奋地大吼着扑向食物,大口的撕咬吞咽着,刚丢下去的东西一眨眼就被吃光了。老乡继续命令道:“再丢下去一些!”第二批大约50斤肉品又飞出了后车门,也就一袋烟的工夫,又被8只狼分食的干干净净。吃完后8只狼整齐地坐下,盯着后车门。这时,我们几人各个屏气息声,紧张的手心里都是冷汗,甚至能够清晰的听到自己心跳的声音……我们不知道能有什么办法令我们从狼群中突围出去。看到这样的情形,老乡又发话道:“还有吗?一点不留地丢下,想保命就别心疼这些东西了!”此时,除了紧张、害怕还有羞愤……!作为战士,我们是有责任保护好这些物资的,哪怕牺牲自己。但是现实情况是我们的车被坞到雪地里出不来,只能被困在车里。我们的子弹是极有限的,一旦有狼群被召唤来,我们会更加束手无策。我们几人相互看了一眼,迟疑片刻,谁也没有说什么,忍痛将车上所有的肉品,还有十几包饼干全都甩下车去!8只狼又是一顿大嚼。吃完了肉,它们还试探性的嗅了嗅那十几包饼干,但没有吃。这时我清楚地看到狼的肚子已经滚圆,先前暴戾凶恶的目光变得温顺。其中一只狼围着汽车转了两圈,其余7只狼没动。片刻,那只狼带着狼群朝树林钻去......不可思议的事情发生了……不一会儿,8只狼钻出松林,嘴里叼着树枝,分别放到汽车两个后轮下面。我们简直不敢相信自己的眼睛……这些狼的意思是想用树枝帮我们垫起轮胎,让我们的车开出雪窝。我激动地大笑起来……哈……哈……刚笑了两声,另外一个战士忙用手捂住了我的嘴,他怕这突兀的笑声惊毛了狼。接着,8只狼一齐钻到车底,但见汽车两侧积雪飞扬。我眼里滚动着泪花,大呼小王:“狼帮我们扒雪呢,赶快发动车,”车启动了,但是没走两步,又打滑了。狼再次重复刚才的动作:“先往车轮下垫树枝,然后扒雪……”。就这样,每重复一次,汽车就前进一段,大约重复了十来次。最后一次,汽车顺利地向前行了一里多地,接近了山顶。再向前就是下坡路了。这时,8只狼在车后一字排开坐着,其中一只比其他7只狼稍稍向前。老乡说:“靠前面的那只是头狼,主意都是他出的。”我们激动极了,一起给狼鼓掌,并用力地向它们挥手致意。但是这8只可爱的狼对我们的举动并没有什么反应,只是定定地望了望我们,然后,头狼在前,其余随后,缓缓朝山上走去,消失在松林中......看完不忍思考:连凶猛的狼都懂得报恩,我们是否应该反思自身?自诩为“万物灵长”的人类,我们是不是应当让这个世界充

。小分队一共8人,其中4名警卫战士每人配备一支冲锋枪。一天,出发前,一位纳西族

采用普通的填密材料时,产生的径向压力与压紧压盖时所加的轴向压力之比约为0.6~0.7,沿整个填料函的典型径向压力,如图2所示。


图2

对许多应用来说,填料仍是主要选择,特别是对用到大型填料函和重载的场合,例如流程泵、供汽和重力水处理等,尤其如如此。填料密封还有这样一种优点,即它们除了能用于往复用途外,还能用于旋转场合。对于许多往复工作来说,特别是在大型、重载的应用场合,挠性密封组件或单个密封件是可以代替填料的,除非要求泄漏达到最小的情况下,可能机械轴封更适宜。然而,值得注意的是,随着机械密封件的广泛使用,并未显出有对压篮填料密封减少需要的迹象。


填料基本上是柔软(可变形的)断面,不过其柔软度是有很大差异的。填料几平总是含有有润滑剂的,并且在使用过程中,随着过度受压或过热,便会损失润滑剂,填料的体积随之小,径向压力下降,从面导致泄露。

在润滑有问题的地方,或填料函需要一定程度冷却的地方,可以向填料函中央供入附加润滑剂/冷却剂,如图3所示。


图3

通过这种方法致冷的程度是有限的,而在温度较高时,为了保持填料函的工作温度不超出填料的使用温度极限,可能不得不对整个填料函体行工作冷却。

由于纤维需要高压收缩成由于缺少适当的润滑都会引起较大的摩擦和过热现外加积滑/等象,由此面会产生许多问题,这类问题可通过采用最近研制的以用聚四氟乙烯涂散的芳族酰酸纤维为基的填料来解决。

填料尺寸


压缩填料一般具有大致呈方形的断面(不过图形编织填料,可用在往复活塞杆

和阀杆上;散状填料可用于密封阀和某些泵的填料函)。因此,大多数填料都制成6mm(1/46in)“见方”以上的标准断面尺寸。断面尺寸在很大程度上是随意定的

但是作为一般准则,当轴径尺寸为12mm(1/2in)时,沟槽宽度约为轴(或杆)径的25%,当轴径约为150mm(6in)时,沟槽宽度减少到轴径尺寸的10%。

至于填料圈数以多少为最佳也并无一定之规,不过对于一般工作来说,采用4圈或5圈方圈是典型的,如图4、图5所示  :


图4


图5

在滇北找矿。小分队一共人,其中4名警卫战士每人配备一支冲锋枪。一天,出发前,一位纳西族老乡搭我们的车去维西。那天路上积雪很大,雪下的路面坑洼不平,车子行驶一段就会被雪坞住。我们不得不经常下来推车。就在我们又一次下车推车的时候,一群褐黄色的东西慢慢向我们靠近。我们正惊疑、猜测时,纳西族老乡急喊:“快、快赶紧上车,是一群狼。”司机小王赶紧发动车,加大油门……但是很不幸,车轮只是在原地空转,根本无法前进。这时狼群已靠近汽车……大家看得清清楚楚——8只狼,个个都象小牛犊似的,肚子吊得老高。战士小吴抄起冲锋枪,纳西族老乡一手夺下小吴的抢。比较沉着地高声道:“不能开枪,枪一响,它们或钻到车底下或钻进树林,狼群会把车胎咬坏,把我们围起来,然后狼会嚎叫召集来更多的狼和我们拼命。”他接着说:“狼饿疯了,它们是在找吃的,车上可有吃的?”我们几乎同声回答:“有。”“那就扔下去给它们吃。”老乡像是下达命令。从来没有经历过这样的事,当时脑子里一片空白,除了紧张,大脑似乎已经不会思考问题。听老乡这样说,我们毫不犹豫,七手八脚把从丽江买的腊肉、火腿还有十分珍贵的鹿子干巴往下丢了一部分。狼群眼都红了,兴奋地大吼着扑向食物,大口的撕咬吞咽着,刚丢下去的东西一眨眼就被吃光了。老乡继续命令道:“再丢下去一些!”第二批大约50斤肉品又飞出了后车门,也就一袋烟的工夫,又被8只狼分食的干干净净。吃完后8只狼整齐地坐下,盯着后车门。这时,我们几人各个屏气息声,紧张的手心里都是冷汗,甚至能够清晰的听到自己心跳的声音……我们不知道能有什么办法令我们从狼群中突围出去。看到这样的情形,老乡又发话道:“还有吗?一点不留地丢下,想保命就别心疼这些东西了!”此时,除了紧张、害怕还有羞愤……!作为战士,我们是有责任保护好这些物资的,哪怕牺牲自己。但是现实情况是我们的车被坞到雪地里出不来,只能被困在车里。我们的子弹是极有限的,一旦有狼群被召唤来,我们会更加束手无策。我们几人相互看了一眼,迟疑片刻,谁也没有说什么,忍痛将车上所有的肉品,还有十几包饼干全都甩下车去!8只狼又是一顿大嚼。吃完了肉,它们还试探性的嗅了嗅那十几包饼干,但没有吃。这时我清楚地看到狼的肚子已经滚圆,先前暴戾凶恶的目光变得温顺。其中一只狼围着汽车转了两圈,其余7只狼没动。片刻,那只狼带着狼群朝树林钻去......不可思议的事情发生了……不一会儿,8只狼钻出松林,嘴里叼着树枝,分别放到汽车两个后轮下面。我们简直不敢相信自己的眼睛……这些狼的意思是想用树枝帮我们垫起轮胎,让我们的车开出雪窝。我激动地大笑起来……哈……哈……刚笑了两声,另外一个战士忙用手捂住了我的嘴,他怕这突兀的笑声惊毛了狼。接着,8只狼一齐钻到车底,但见汽车两侧积雪飞扬。我眼里滚动着泪花,大呼小王:“狼帮我们扒雪呢,赶快发动车,”车启动了,但是没走两步,又打滑了。狼再次重复刚才的动作:“先往车轮下垫树枝,然后扒雪……”。就这样,每重复一次,汽车就前进一段,大约重复了十来次。最后一次,汽车顺利地向前行了一里多地,接近了山顶。再向前就是下坡路了。这时,8只狼在车后一字排开坐着,其中一只比其他7只狼稍稍向前。老乡说:“靠前面的那只是头狼,主意都是他出的。”我们激动极了,一起给狼鼓掌,并用力地向它们挥手致意。但是这8只可爱的狼对我们的举动并没有什么反应,只是定定地望了望我们,然后,头狼在前,其余随后,缓缓朝山上走去,消失在松林中......看完不忍思考:连凶猛的狼都懂得报恩,我们是否应该反思自身?自诩为“万物灵长”的人类,我们是不是应当让这个世界充

。小分队一共8人,其中4名警卫战士每人配备一支冲锋枪。一天,出发前,一位纳西

填料函结构


如图5a所示,处理有压力的清洁无磨粒流体的填料函结构是很简单的。具体的要求是在填料函口处要保证有适当导锥,以利于在装配时不损坏填料,同时还要求填料函表面有相当好的表面光洁度。一般认为2.5um(64uin)Ra即满足大多数使用要求。

在被密封介质中含有磨粒的应用场合,希望尽量不要使磨粒进入填料密封区。这可通过经填料函中央的孔环引入适当的冲洗液,如图5b所示。应该指出,在这种情况下所控制的泄漏是冲洗液的漏液、由于经向压力的分布,冲洗液还会回泄到介质中去。在不可能利用适当的液体进行冲洗的地方,采用润滑脂冲洗是个办法,如图5c所示。在此种情况下,润滑脂必需洁净,同时能与介质相容。


图6


图6示出了另外两种填料函结构。在图6a中,被处理介质的压力低于大气压力,因此需要一种液体屏障来防止空气通过填料函进入介质。这种液体屏障从介质出口引来经孔环送入填料函。在这种情况下所控制的泄漏是介质的泄漏。

图6b中被处理介质是有毒的或危险的,所以也采用一种冲洗式填料函来供给主要的屏障。这靠在填料压盖上的一个遏止通路(冲洗环路)来支援,同时靠一个辅助填料题来杜绝泄漏。

传统材料


以润滑纤维绳为基础的传统形式的填料仍是很常见的,并且一直被广泛使用。这种填料所采用的材料范围相当广(参见表1A,其中仅列出了部分材料),同时又因为引入合成维绳来改进某些性能,进一步扩大了这一范围,不过,实践证明,人造丝和尼龙的优点是有限的。


植物纤维一般适用于工作温度不大于90℃,摩擦速度适中(不高于8m/s)的油水和非腐蚀性的化学介质。棉花和亚麻是使用最广的纤维,大麻次之。苎麻、黄麻和剑麻基本上消失了。


石棉绳对温度较高的使用条件(达320"C)和较高的摩擦速度来说是传统的选用材料。当然,石棉对人体健康有害的问题确是一个令人关心的课题,而且青石棉实际上已停止使用了。不过青石棉有较好的抗腐蚀性能。对白石棉(水合硅酸镁石棉)很少有人提出异议,白石棉已成为目前用于石棉类填料的最重耍绳材,特别是用作纤维材料,在制造填料过程中,通过浸渍处理被牢固地粘合起来,不会散放出石棉粉尘,石棉粉尘是被引证的危害健康的主要根源。

传统润滑剂

除了实际上需要干式填料的特殊使用场合外,纤维绳填料中总是摻有润滑剂的。

石墨是一种常被加入填料断面中的润滑剂,用于许多在干燥条件下工作或与非润滑性流体接触使用场合中,能提供良好的自润滑作用。因此,石墨润滑剂特别适用于供应蒸汽、水,特别是含盐水的设备。然而,在某些情况下,有松散的石墨存在可能是有害的;或者当填料与不锈钢杆在一起相对运行时,由于电解作用,石墨可能要对钢材造成局部腐蚀。能够解决这一问题的另一种可供使用的润滑浸溃剂是云母。这些润滑剂,连同二硫化钼和聚四氟乙烯一起,迄今仍是标准的“干式”润滑剂。


像牛脂一类的传统“混式”润滑剂已为矿物油油、黄黄油、石蜡和肥皂所取代。硅酮润滑脂专门与石棉填料一起用于高温使用场合,不过目前认为是不适用于在与食品和饮水有接触的场合了。在这这类使用场合所采用的润滑剂通常用的润滑剂的百分比虽使用情况的不同而变化。因此,准备用于高速运动,特别是高速旋转运动场合的填料一般应较为柔软的,以便长时间地保持柔性和能够含有较大百分比的润滑剂。仅在静态使用条件下工作的填料,一般完全不必加入润滑剂。用于往复运动场合的填料,可以用耐磨金属丝来增强,而不是加入润滑剂,也许有石墨外包皮。其他品种的填料可能既利用耐磨的软金属丝增强,同时也浸涂润滑剂。耐磨软金属丝的数量应该既能保证轴的连续润滑,又能帮助从工作表面导热。


绳填料与编织填料


编绳填料是由按传统的或经改进的编绳方式编结成的多股线绳构成的,每股绳之形成一个保持润滑剂的空隙。绳层可根据具体的工作条件搭配,例如用于旋转密封件时,按照轴的旋转方式编结,以使个别纤维的磨损不致严重影响填料断面的整体性能。


编结填料可以按两种不同的方法构成。连续的编织填料是由按管状编织在一起的单股纱构成的,以相似的方式一层压一层地制成所需要的断面。另一种是斜纹编织方式(作为一种变形还有网格编织方式),两种方式都可制成较致密的填料,这种填料表面密度较高;但保持润滑剂的空较小,因此在填料不发生剥裂情况下,比编绳纤维(像一种编填料)具有更好的不遗性能。


图7

输织断面可以编成方形成圆形的。在后一种情况下,通常是在编织并浸润滑剂以后,使其简单地通过一个提轮拉模而制成方形断面的。在实践当中,制造商发展了各自特殊形式的编绳或编织型填料结构,例如交又型编绳填料( Crossley)或超级编绳填填料( Latty International),旨在克服普通的或“典型”的编织填料的缺点。图7表明了精心研制的两种断面的例子,具有耐用、均匀和不滲透的优点,同时还具有良好的柔性。


现代石墨化石棉填料

石墨化石棉填料的出现归因于在生产一种石墨和石棉的直接接混合物,而不是在制造表面涂层过程中的一些最新研究工作,这种填料具有优良的润滑,较冷的运行,较低的摩擦,良好的高温性能。


聚四氯乙烯填料

具有极好的抗化学侵蚀能力的聚四氟乙烯,作为一种低摩擦材料的杰出性质,使其成为一种用来制作填料的有吸引力的选择材料。这种材料特性的不利一面是强度低,热传导性不良以及随温度的升高而有收缩的倾向(即具有负的热膨胀系数)。当这种材料与作为润滑剂的绳填料(通常是石棉绳)结合使用时,其热收缩特性使材料的最大摩擦速度限制在大约8~10m/s,最高使用温度限制在大约250~290C


不过,热传导性可以通过入石墨来改善,利用挤压方法制成的聚四氟乙烯/石墨填料属于最吸引人,最有用的现代填料类型之列,比普通绳填料具有更好的性能,特别是在寿命和减少轴或杆的损方面尤为如此。


阀门的朝向和所处位置也是影响密封性能的重要因素。


和垂直安装相比,横向安装阀门容易产生过大的侧向载荷。有些阀门安装在不停振动着的管线或平台上,如果给阀杆提供辅助支撑,对保持其密封性能是有利的。有些阀门靠近高温设备,热辐射对密封性能有负面影响。


阀门内的工艺流体也是要关注的对象。


化学兼容性很重要;磨蚀性流体中的微粒可能导致密封元件性能下降。通常处于底部的密封元件,密封效果会比上层的差些,因为压盖施加的载荷只有一部分能传递到底部。在此情况下,介质内的微粒会进入密封元件,使其性能下降。含有悬浮颗粒的流体,会在盘根靠近外界空气的一侧蒸发和结晶,导致执行机构出问题。当流体被密封元件密封隔离,两侧会发生压力降,流体可能发生相变。相变时的膨胀非常剧烈,密封元件必须足够坚固才能承受相变产生的作用力。以低硬度O型圈为例,较容易在此类流体中损坏,尤其是小分子流体。



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