1. 引言

    聚乙烯和聚丙烯作为石油化工产业的核心产品之一。PDS阀作为聚乙烯和聚丙烯生产装置上重要零部件之一，其密封性能和高频开关寿命是决定着生产装置系统能否稳定运行的关键因素。PDS球阀的泄漏除了内部球座处磨损而导致内漏外，阀杆填料处泄漏常有发生，阀杆处一旦发生泄漏，整个生产装置都得停机维修，这会造成一定的经济损失。本文围绕着PDS球阀阀杆填料处泄漏问题展开分析研究，通过工厂模拟实际使用工况的阀杆循环开关试验获得一些数据，从而对填料处结构进行优化改进，对阀杆填料处日常维修提出一些建议。

2. 说明

    本文采用聚丙烯Unipol工艺生产装置上PBT出口E阀的阀杆填料函作为研究对象，对阀杆处泄漏问题进行分析研究。受篇幅影响只对泄漏填料和改进后效果较好的填料结构加以说。另外出于技术保密的考虑，本文未列出填料的面压力及螺栓预紧扭矩的技术细节及详细的计算，只给出能够说明问题的最终计算结果。

3. 生产聚丙烯装置现场发生泄漏的球阀阀杆填料函结构

   填料函上部是采用某品牌的带角度差石墨填料，填料两端为编制石墨，中间几层是柔性石墨，填料函下部是带内外O形圈密封的填料垫环，O形圈在提供可靠的密封同时还起防尘作用，采用填料压板和压套对填料进行压紧，每个压板螺栓上采用4个碟簧提供持续的压紧填料的力。发生泄漏的阀杆填料函结构简图如右图所示。

4.生产聚丙烯生装置现场球阀阀杆填料泄漏原因分析

   出现泄漏的球阀是垂直安装在管线上的，即阀杆平行于地面，阀门是安装单作用弹簧复位气缸进行开关操作，开关时间小于2.5s，每1.5分钟开关一次，整个生产聚丙烯装置系统除常规例行的维护保养时会停机，别的时间都是在不间断地运行，一年开关至少35万次以上。在发现阀杆泄漏的时，阀门在管线上已运行了6个月这样，这尚未达到PDS阀门使用寿命要求，现场在填料压板正下方的地面上堆积一些块状的夹杂着聚丙烯的石墨，填料压板上的碟簧安装状态已经松弛，能提供的预紧力小了很多。从现场情况可以判断阀杆填料本身已被磨碎，而且聚丙烯粉末也泄漏到阀体外，聚丙烯粉末和被阀杆磨碎的填料混合在一起，在高频开关的阀杆作用下进一步被搅拌，并且被逐渐从阀杆和磨损后填料之间间隙挤出。详细磨损情况见图右图。

对泄漏阀门拆检发现，阀杆填料处填料已被磨损很多，尤其是填料组中间由石墨箔卷制模压成型的纯石墨填料，自身结构遭到了严重的破坏，填料磨损后形成的石墨粉和小片状石墨。阀杆和阀盖之间的垫片也出现了一定程度的磨损，阀杆轴承也有磨损，阀杆与填料配合的那段表面善好，未发现明显的磨损，填料垫环与阀杆之间的O形圈磨损严重，已经失效。

通过分析泄漏现场和样机拆检可以推断，石墨填料在长期高频开关情况下，由于阀杆表面粗糙度较高，粗糙度大概在Ra1.6左右这样，石墨填料安装上阀门后，石墨填料就已经被压紧填充阀杆表面的微观不平整面，即常说的石墨粘在阀杆表面，在开关过程中原本已粘在阀杆上的石墨随阀杆旋转的同时还进一步粘与之接触的石墨填料，由于阀杆是定向四分之一旋转，在阀杆开或关旋转到位时，阀杆表面上粘附的石墨会被挤压到一侧，在长时间高频次的四分之一旋转开关后，与阀杆表面接触的石墨填料宏观结构被一点一点地破坏，尤其在填料中间层的纯石墨圈结构被破坏的较为严重，填料整体结构变的松散。此外在填料垫环上O形圈被磨损失效后，聚丙烯粉末渗透进填料函后与磨损的填料进行混合，进一步破坏填料结构，阀杆填料函空间能容纳的填料和聚丙烯有限，在经过长期高频四分之一旋转开关后,填料被磨碎后形成的石墨粉和小片状石墨被挤到一处，在阀杆和填料间隙之间形成泄漏通道，聚丙烯和磨碎的石墨沿着泄漏的通道被一点一点地挤出填料函。填料垫环上O形圈的磨损是由于阀杆长期高频开关后，阀杆和石墨填料之间摩擦会产生热量，热量使橡胶变软发粘，软化后的橡胶粘在阀杆上，在阀杆长期的往复旋转过程中O形圈与阀杆接触部位被一点一点地撕扯掉，从而导致失效。

5.基于上述泄漏原因分析而改进的阀杆填料函结构

起初设计了四个改进后方案，此处只介绍改进后试验效果较好的方案。基于上述泄漏原因分析可知，要解决阀杆处泄漏问题，主要需解决阀杆填料处耐磨问题和阀杆填料下方防尘问题。针对阀杆填料处耐磨问题，首先将阀杆上与填料密封的面上粗糙度提升两个等级，保持阀杆粗糙度在Ra0.4~Ra0.6之间，以此来降低由于阀杆上微观不平整的面对与其接触的石墨填料造成的磨削程度，其次将带角度差填料更换为内含金属丝的编织石墨填料，编织填料要比纯柔性石墨耐磨，且内含金属丝的编织石墨填料自身宏观结构不易被破坏，耐磨且稳定，最后又增加了压板螺栓上的碟簧数量，以此来增加填料的持续压紧力，在保证阀杆填料处不泄漏的情况下，将阀杆填料的面压力降低，300lb以下阀门，采用编织填料时，建议填料面压力在10MPa~15MPa这样的范围，减小压板螺栓的预紧扭矩，确保阀门在长期的使用过程中填料始终都处于被压紧状态，但不能被过渡压紧，填料被一旦被过渡压紧，那么填料的磨损将加快，使用寿命大幅下降。针对阀杆填料下方防尘问题，首先在填料底部增设楔形聚四氟乙烯防尘环，其次在阀杆下方也增设一个楔形聚四氟乙烯防尘环，且阀杆下方采用复合承结构，外部轴承采用青铜材料，内部轴采用聚四氟乙烯带，阀杆与阀体之间采用编织PTFE进行作为初道防尘隔离设计。改进后的阀杆填料函结构简图如右图所示。

6.改进后的阀杆填料函试验结果

针对改进后的阀杆填料函，设计了一套试验工装，模拟生产聚丙烯装置上E阀安装方位和开关频次，试验所使用的介质为1000目聚丙烯粉末，试验压力为0.6MPa的压缩空气，采用弹簧复位单作用气缸进行开关操作，气缸开关时间为5秒，每90秒循环一次。

阀杆循环开关试验从开始直至填料泄漏，前后总共耗时四个多月，在此期间阀杆共循环开关了12万次，阀杆填料处未发现有石墨碎屑或聚丙烯粉末，压板螺栓上碟簧压缩量变小，但整个试验过程没有再次拧紧压板螺栓，在发现阀杆填料处有可见泄漏后停止了试验。

试验结束后拆检整个阀杆填料函零件，阀杆与填料配合面未发现磨损，填料本身有磨损，在拆卸阀杆时有一些石墨碎屑被带出，阀杆与阀盖之间的垫片有磨损。

7.总结

从上面的试验结果和零件拆检可知，改进后的阀杆填料函能承受的循环开关次数明显提高了很多，阀杆和填料及轴承等零件的使用寿命也得到了相应的提升，同时也避免了聚丙烯粉末外漏的情况发生。由此可见阀杆表面的粗糙度和防尘结构及填料的选用对高频开关阀门密封效果和使用寿命有着较大的影响。模拟试验的工况不能代表阀门实际使用工况，阀杆填料的磨损受到零件粗糙度、填料化学成份、填料预紧力、开关频次、介质性能等因素影响，本文阀杆填料函的磨损分析及设计改进有着明显的针对性，并不适用于普遍工况要求，仅供设计参考。

参考文献

[1] 房汝州主编，2006版实用阀门设计手册，北京：中国知识出版社，2006

[2] 陆培文主编，实用阀门设计手册（第二版），北京：机械工业出版社，2007