調節閥閥桿密封泄漏分析及處理

孫 營 王運喜 詹瑜濱 劉喜陽

某核電廠1/2號機組主蒸汽至除氧器進汽調節閥ADG101VV用于將主蒸汽壓力由6.7MPa減壓至0.8MPa作為除氧器的備用加熱汽源，用于除去凝結水中的氧和二氧化碳等非冷凝氣體，以便隨時滿足蒸汽發生器所需要的給水，保證蒸汽發生器的安全運行。但是，目前1/2ADG101VV填料密封處頻繁泄露，經統計從2014年1月至2015年12月底，1/2機組兩臺ADG101VV閥門相關糾正性檢修工單共35份，其中填料泄漏缺陷單有24份缺陷量的70%。2015年7月8日，2ADG101VV曾出現過填料密封失效，造成大量高溫高壓蒸汽呈噴射狀泄漏，存在極大的安全隱患。

一、填料密封機理

對于調節閥的填料，既需要保證良好的密封效果，同時也要閥桿不存在卡澀而影響到其調節性，這就需要“軸承效應”和“迷宮效應”的綜合作用。一方面，填料的磨損會增加填料與閥桿之間的環形間隙進而引起介質的泄漏，縮短填料的密封壽命；另一方面，摩擦力的大小直接關系到設備運行過程中的可操作性及能耗問題?？梢娬{節閥填料密封的泄漏，主要是由填料受密封力與摩擦力不合理所導致的，要解決填料密封泄漏問題，就必須弄清楚填料的受力情況。

二、填料受力分析

圖1 填料受力分析圖

假設當壓緊填料壓蓋時填料微元dx在x位置受到的軸向壓力為σx,在x+dx位置軸向壓力為σx+dσx。此時，填料受壓軸向壓力產生的變形對閥桿表面和填料函內壁均會產生徑向作用力，分別記為q1(x)、q2(x)。根據胡克定律和摩擦定律可得填料與閥桿和填料函內壁的摩擦力分別為：

F1=μ1·q1(x)·(2πd·dx)

F2=μ2·q2(x)·(2πD·dx)

(一)填料密封的摩擦力。當填料與閥桿相對回轉或往復運動，填料與閥桿間為動摩擦，動摩擦系數一般為0.04～0.08，比靜摩擦系數小得多可以忽略，即μ1=0；填料與填料函內壁為靜摩擦；當填料密封兩側存在著流體泄漏的推動力，或者存在流動阻力非無窮大即存在泄露路徑時，如果此時填料密封裝置不能控制兩側的均衡，就意味著密封失效。因此減少或消除其中的任何一個因素，都可以達到減少或消除泄漏的效果。

(二)填料壓蓋的緊固力。填料與閥桿、填料與填料函內壁之間的徑向應力足以使介質不可能沿其流動，即填料函底部的徑向應力恒不小于介質的壓力p時，填料具有密封作用。

在工況條件一定的情況下，一方面填料與閥桿、填料函之間的徑向應力沿填料軸向長度向填料函底部成指數規律遞減，且在壓蓋處最大；另一方面隨著介質的壓力升高，需要壓緊壓蓋的力也會隨之增大。

填料密封摩擦力和密封力的大小均與下列幾個參數有關。

1.填料材質性能參數。填料材質要有適合工況的抗溫度變化、抗蠕變和抗松馳等能力，要有足夠的化學穩定性；填料材質要有一定的塑性，否則在軸向壓力的作用下無法產生所需的徑向壓力，且在閥桿有少量偏心時，填料不具有足夠的浮動彈性；耐磨性能不良，將引起填料和閥桿產生異常磨損引起泄漏。

2.填料結構尺寸參數。摩擦產生熱量，是通過填料環徑向由內向外的路徑進行擴散。當填料環的厚度過大時，由于散熱路徑增加而變得不易傳出。同時，如果填料環數量過多，其相對運動接觸面就會增大，摩擦產生的熱量也會增加，散熱壓力也隨之進一步增加。因此，通常情況下就要求填料環的內徑要比閥桿直徑大0.1～0.3mm，而填料環外徑比填料函內徑小0.1～0.3mm。

3.填料密封所需的預緊力。預緊力是保證密封的主要因素，當力矩過大時會引起填料徑向變形過大，使填料與閥桿間隙過小而介質無法形成起潤滑作用的液膜。此時填料與閥桿有相對運動的接觸面呈干摩擦狀態，摩擦力增大而加劇填料磨損進程。此外，不正確的填料安裝方法和力矩加載方式，都有可能引起填料徑向的擠壓應力沿軸向分布不均勻，同樣會使填料的使用壽命大大縮短。

4.填料與閥桿、填料函內壁間的摩擦系數。填料摩擦系數主要是由閥桿及填料函表面粗糙度以及填料材質自身的耐磨性能所決定的。閥桿核填料函的粗糙度大，摩擦系數就越大；填料密度越低，耐磨性越差。兩者都會使摩擦加劇，填料失效加速。

三、ADG101VV填料密封泄漏處理方案

對ADG101VV所用填料進行受力計算。已知閥門閥桿19mm，原所用填料參數外徑D1=31.5mm，內徑d1=19.1mm，填料壓蓋螺栓2顆M16，載荷系數取k=0.2。根據廠家提供參數信息確定密封比壓y1=35～55MPa，側壓系數K1=0.9～1，摩擦系數μc1≤0.08。正常運行工況下介質壓力p=6.7MP。根據上述分析，計算填料壓蓋螺栓緊固力矩過程如下為：

計算ADG101VV填料截斷泄漏介質所需的壓緊載荷：

此時，將填料壓蓋將填料壓實需施加的載荷：

取F=F1″，可得螺栓緊固力矩:

如果填料壓蓋螺栓緊固力取填料壓蓋將填料壓實時施加的載荷，那么此時填料的軸向應力等于填料的密封比壓，即：

σD1=y1=35～55MPa。

根據已知填料參數，可計算出此時填料與閥桿之間的摩擦力為:

Fc1=μc1πdσD1L1K1=4,810～7,560N

因此，在保證檢查填料函及閥桿表面精度滿足要求的情況下，主要從填料的性能、結構及填料壓緊力矩三個方面上制定處理方案，從而使密封力與摩擦力均衡。

圖2 AV-6與AV-8填料耐磨性能試驗曲線

首先將填料由編織填料AV-6更改為先以一定的壓力進行預壓縮的成型壓制填料AV-8如圖3，兩組填料在相同的壓緊力作用下，泄漏量級摩擦力試驗曲線。上述對比說明預壓后的填料AV-8緊密程度增加，其耐磨性能提高，介質泄漏的阻力增大，密封效果明顯改善。因為不同的填料其側壓系數和回彈性能不同，再次嘗試將AV-6和AV-8進行混合使用并在相同狀態進行試驗比對。

圖3 新舊填料形式對比及組合填料試驗曲線

由組合后的填料試驗曲線可以看出，組合填料其耐磨性能相比單一填料有了明顯提高。同時，它的摩擦力曲線相對較為平緩，未出現較大的波動，說明填料改進后產生的摩擦力均衡程度大大提高。也就是說其受力更為合理、綜合作用更為均衡。

為了使填料沿長度方向的壓緊力分布盡可能均勻，并且與泄漏介質的壓力分布趨勢盡可能保持一致，在填料中間設置了剛性的金屬間隔環，使壓緊力較為均勻，適當提高其密封能力。同改進前填料的受力情況進行比較，雖然改進后填料摩擦系數增大，但因填料總體性能提高，其密封比壓降低，所受的摩擦力因此降低。此外，填料與閥桿間隙由0.05調整到0.15，間隙的增大使填料的潤滑性增強，又減少了閥桿卡澀的情況發生。

四、結語

如果將密封介質沿填料與閥桿之間的環形間隙的泄漏視為流體作層流流動，由此可計算出改進后填料理論泄漏率為：

根據ISO/CD15848-C級19mm的閥桿，其密封泄漏標準為：

Q0=1.76×10-5×19=3.34×1014cm3/s>Q

由于各參數之間互相影響互相制約，計算也只是做定性分析。但是理論數據仍可驗證，改進后的填料滿足泄漏率的要求。

以上處理方法于2016年初應用在2ADG101VV閥門上，總體處理效果良好。此次填料密封泄漏處理經驗說明，通過對填料安裝、預緊力以及填料的結構形式等要素進行分析，優化閥門填料受力結構，制定相對應的處理措施，可以最終使閥桿密封效果達到最優狀態。