【摘要】閥門是石油化工管道系統中必不可少的控制元件，是保護管路、 實現裝置安全有效運行的一個基本管路元件， 對石化煉油裝置而言，其正常運行至關重要。因此，閥門的密封好壞是衡量其性能的重要指標。基于此，文章通過對閥門密封原理的分析，重點闡述了閥門填料函和閥門外泄漏原因，討論了目前所采用的改善方法。
【關鍵詞】閥門;密封;泄漏;填料
閥門是石油化工管道系統中必不可少的控制元件，是保護管路、實現裝置安全有效運行的一個基本管路元件，通常用來啟閉管路、調節流體流量等，以滿足工藝需要。
石油化工生產中的介質多為腐蝕性強、有毒或易燃易爆的，閥門泄漏時，不僅會造成嚴重的原材料和產品的浪費，而且對環境也造成嚴重的影響，甚至引起嚴重的安全事故。因此，對于石化煉油裝置而言，閥門的正常運行至關重要。所以，從安全生產的角度來看，閥門泄漏影響工藝操作，并且會帶來較大風險。從環保的角度來說，閥門的泄漏所造成的污染亦不容忽視。因此，閥門的密封好壞是衡量其性能的重要指標。
1 閥門的密封性能
閥門的密封性能是指閥門各密封部位阻止介質泄漏的能力，是考驗閥門質量優劣最重要的的技術性能指標。其密封性能主要考察兩個方面，即閥門的內漏和外漏。也因此，閥門的密封主要分為兩部分。即，
(1)閥座與關閉件互相接觸進行關閉的部分，即通常所說的閥門密封副，此部位的密封失效將會導致閥門的內泄漏。導致閥門內漏的原因很多，包括制造工藝不佳、密封面變形、介質內雜質以及介質腐蝕等。
(2)閥桿與填料函、閥體與閥蓋的連接部分，這兩個連接部位導致閥門的外泄漏。閥門外漏所造成的后果往往比內漏更加嚴重。生產中，閥門的外漏不僅會造成原材料及能源的浪費，還會污染環境，甚至引起火災、爆炸、中毒等危害生命安全的事故。特別是對于石化產業中高溫高壓、易燃易爆、有毒或有腐蝕性的介質，閥門外漏應嚴格控制，工程常用標準為 ISO15848《工業閥門.漏氣的測量、試驗和鑒定程序》及SHELL77-312《閥門外漏的檢測規定》等。
1.1 閥桿的填料函密封
閥桿密封分為無填料密封和填料密封。
無填料密封包括波紋管及膜片密封等，與填料密封相比，優點是密封性能可靠;缺點是不能用于高壓介質且波紋管密封件制造較困難，成本高，而且使用過程中一旦破裂，滲漏將會十分嚴重。
填料密封是用填料填塞泄漏通道， 阻止泄漏的一種密封形式。密封填料又分軟質密封填料和成型填料兩種。填料密封雖不及無填料密封可靠，但由于其結構簡單，加工制造方便，價格低廉，而被廣泛使用。
軟質填料密封是靠填料壓蓋的軸向壓力，使之在閥桿與填料以及填料與填料箱側壁之間產生一定的徑向接觸應力(徑向比壓)而達到密封的。因此，要達到密封，壓蓋的軸向力必須足夠大，這就造成填料與閥桿之間摩擦轉矩增大，磨損增加，因而軟質密封填料磨損快，須經常擰緊壓蓋螺栓或更換填料，才能保證較好的密封效果。
成型填料則是以橡膠、工程塑料、石墨等彈塑性材料為原材料，采用模壓成型或車削加工制成的各種環行密封圈。相比之下，成型填料結構緊湊，密封性能好，品種規格齊全，適用范圍廣，目前使用較為廣泛。
1.2 閥體連接部位的密封
閥體連接部位密封，是指閥體與閥蓋之間的密封，一般情況下為法蘭連接密封，當閥門的公稱直徑較小時為螺紋連接密封。就密封性質而言，該連接屬于靜密封，它應滿足下列要求：
(1)能適應溫度和壓力的急劇變化;
(2)多次拆卸而不損壞密封元件;
(3)結構簡單、緊湊，金屬消耗量少;
(4)對振動和沖擊載荷不敏感;
(5)能滿足各種工作介質的使用要求。
閥體的連接部位，通常采用榫槽式或凹凸式平墊片密封以及“ O”形密封圈密封。
榫槽式平墊片密封，是將平墊片安裝在封閉槽中，這種結構在密封面上，可產生很高的密封比壓，通常遠遠超過墊片材料的屈服極限，從而保證了可靠的密封性。這種密封形式適用于壓力大于等于 4.0 MPa 的中高壓閥門。其缺點是：因拆卸閥門時需將墊片自密封槽中取出，這往往會損壞墊片。
凹凸式平墊片密封，是將平墊片安裝在凹凸面法蘭的密封面上，與榫槽式平墊片密封結構相比，有兩大優點，其一，拆卸閥門時，墊片容易取出;其二，因密封槽呈階梯狀，故加工工藝性能較好。
平墊片的材料，根據工藝參數和流體性質，可選用鋁、紫銅、1Cr18Ni9Ti 和橡膠石棉板等。氟塑料也是常用的墊片密封材料，但由于其具有冷流性，如果密封結構設計不當，將導致不良后果。
相比而言，“ O”形密封圈結構簡單，制造方便，只要密封結構設計合理，裝配后就能產生足夠的徑向擠壓變形，可不必軸向加載即可達到密封，因此，將其用作法蘭連接密封，可減小法蘭結構尺寸，從而減輕閥門重量。而對于低壓小通徑閥門，為減小閥體結構尺寸和重量，閥體一般采用內螺紋連接，而連接處的密封元件也可采用平墊片或“ O”形密封圈。
2 閥門外漏原因及解決方法
外漏是指閥桿填料部位的泄漏、中法蘭墊片部位的泄漏及閥體因鑄件缺陷所造成的泄漏。
2.1 閥桿泄漏的原因及解決方法
閥桿是帶動啟閉件使閥門開啟和關閉的重要受力部件，其表面粗糙度對閥桿處的密封影響非常明顯。雖然與其接觸的密封材料為非金屬材料，容易填充接觸面的微觀空隙，但由于閥桿為運動零件，過大的粗糙度會造成閥桿的不均勻磨損，從而造成泄漏的機會。同理，閥桿的不直度也是影響該處密封的關鍵之一，這是因為如果閥桿直線度不夠好，會在運動中造成結構上的空隙，從而造成泄漏的機會。
閥桿材料往往是由應用的介質條件所決定，閥桿材料的耐磨性因此受到限制，但可以通過表面處理來提高閥桿的耐磨性。常用的提高閥桿耐磨性的措施有表面熱處理、鍍合金或金屬(如鍍鉻)、滲氮等。這些方法各有特點，存在不耐腐蝕或降低閥桿的韌性等副作用，或提高了產品成本。一般應根據介質條件等綜合考慮。
目前，閥桿的密封性能可以從以下幾個方面加以改進：
(1)提高相關密封零部件的加工精度;
(2)提高閥桿的密封耐磨性;
(3)選擇合適的填料形狀和組合;
(4)合理的填料預壓力。
2.2 填料函泄漏的原因及解決方法
填料函由填料箱、填料、填料墊以及填料壓蓋等組成。填料箱置于閥體或閥蓋上，起容納填料的作用。填料墊置于填料箱底部，起支撐填料的作用。介質在密封填料處泄漏，可能是因為填料壓蓋松動、密封填料不嚴密、填料品種或質量不符合要求、填料老化或被閥桿表面磨損、填料裝置損壞等。
對 DN≥50 mm 的閘閥和截止閥[1]， 大部分制造廠普遍采用在閥桿密封處采用柔性石墨環和柔性石墨編織填料的做法。其中填料最上圈和最下圈采用柔性石墨編織環，以利用其強度較高的特點阻止石墨被擠入閥腔或閥外，中間則采用模壓石墨環(有時也在中間適當的位置增設編織環)。對于填料函尺寸較小的閥門，則僅用柔性石墨編織填料。
填料在裝填過程中進行預壓縮也是保證良好密封、尤其是長期良好密封的措施之一。國內的閥門在填料裝填過程中大多數僅限于壓實填料，故其密封性隨應用時間增長而變差。國外在加氫裂化閥門產品填料裝填過程中，盤根環在 31 MPa 高壓下進行逐個預壓，因此能維持較長時間的良好密封。
還有一些閥門在填料壓蓋處采用了蝶形彈簧活載結構。即在填料壓蓋的螺栓上增設碟簧，因柔性石墨填料會由于磨損和熱燒損等原因出現應力松弛，這種碟簧活載結構使填料壓蓋始終作用于填料上較大壓力，從而可防止因壓蓋螺栓松馳或填料松馳而造成外漏。
現在，國內外閥門盤根壓蓋一般均為分體式，分為壓蓋和壓圈。這種結構使壓圈自動對中，螺栓經壓蓋、壓圈產生的壓力在填料盤根上周向均勻分布，易使填料維持良好密封。
填料函的加工精度對閥門的密封性能有直接的影響。國外閥門制造廠一般按照 API600 相應要求執行，填料函表面粗糙度 Ra值可控制在 3.2×10-3 mm。
2.3 閥蓋處泄漏的原因及解決方法
閥蓋處的密封為靜密封結構，一般情況下為法蘭連接密封，當閥門公稱直徑較小時為螺紋連接密封。墊片的類型、材質或尺寸不符合要求、法蘭密封面加工質量差、連接螺栓緊固不當、管道配置不合理而在連接處產生過大附加載荷等原因，都可能引起閥體連接部位泄漏。
對于采用墊片型式的密封副，提高密封副的加工精度即能增加其密封性能。一般情況下，這些密封面的加工精度應控制在1.6~3.2 μm[2]。 值得注意的是， 密封面上切忌出現徑向加工缺陷(包括劃痕)。密封面即使很微小的徑向缺陷也會導致泄漏量急劇增加。
另外，高壓閥門(CL1500 及以上)在閥蓋與閥體連接處采用壓力自密封結構，這種自緊密封結構是通過閥門內流體壓力提供閥體和閥蓋緊密的密封。
壓力自密封采用金屬墊和柔性石墨復合墊兩種。有部分廠家金屬墊采用金屬整體鍍銀處理，銀的塑性較好，易填充密封面上的微觀孔隙，從而確保高壓下閥蓋墊片的密封性能。但針對高溫強烈腐蝕性介質，目前國外閥門廠一般采用柔性石墨復合墊。該墊片由不銹鋼鋼絲包覆柔性膨脹石墨組成，結合了金屬墊和柔性石墨各自的優點，取得了很好的密封效果。
3 結束語
綜上所述，閥門發生外漏主要是由于閥桿處的磨損、填料函選型和材質的不合適、閥蓋處墊片的失效以及螺栓緊固不當所造成的。因此，在閥門的制造過程中，控制閥門外泄漏的關鍵在于優化閥門密封結構的設計，根據不同的工藝條件合理選擇閥門的密封型式和密封材料，提高閥桿及填料函的加工精度，選擇合適的填料型式和組合，合理控制密封副的螺栓預緊力，另外，還可以在合適的閥門類型中使用壓力自密封結構等新型密封結構，從而提高閥門的密封性能，有效地保證閥門長周期，安全可靠運行。
參考文獻
[1]岳進才.高壓加氫裝置閥門的使用及要求.閥門， 2001(3)： 23-30.
[2]岳進才.石油化工用閥門外漏的分析及控制.閥門， 2006(5)： 37-39.
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