摘自industrialvalvenews，Gordon翻译整理

     在发电厂的运行周期中，阀门维护和可靠性是重点关注的领域，通常占停运预算的最大部分。负责设备维护的工厂人员必须考虑整个本地阀门“系统”中存在的多个变量，包括：设备，例如阀体，阀内件，执行器和子组件；介质参数，例如介质类型，温度，压力，管道设计和环境因素；和阀门填料。然而，尽管填料可能是造成阀性能差的重要原因，并可能导致大量泄漏，但设备图的这一部分通常是维护过程中的事后思考。

       填料材料的各种特性导致不同的性能特征。本文研究了各种阀填料的特性和优点，特别着重于摩擦特性及其对控制阀性能的影响。

       填料摩擦的重要性

      一些行业，例如核电，经常使用复杂的诊断工具，使最终用户可以通过在维护活动期间循环打开和关闭阀门来模拟操作条件。这些工具可在行程期间跟踪阀门和执行器组件中的许多变量。如果控制阀未通过诊断测试或结果异常，则分析的第一个变量之一是由阀杆滑动通过阀芯而产生的阀杆运动阻力产生的摩擦曲线。

     这些诊断工具的主要好处是能够产生摩擦曲线。通常，这些工具会绘制一个图表，显示整个阀门行程中阀门系统中产生的摩擦量。然后，诊断软件将独立计算打开和关闭行程期间的摩擦力，以及组合的完全打开和完全关闭行程的平均摩擦力。此摩擦曲线可用于确定阀门重新投入使用之前内部可能存在的几个潜在问题。

      在查看摩擦曲线时，比较容易确定问题，例如阀门是否摩擦太大或太小，或者阀门是否具有非线性摩擦，这可能表示阀杆磨损或颈缩。尽管在某些情况下可能会产生过小的摩擦，但本文重点是减少填料的摩擦以增加阀的裕度和可操作性。增加密封环或填充应力可以相对简单地实现增加摩擦。在保持无泄漏服务的同时降低摩擦要复杂得多。

    降低摩擦的挑战

     填料摩擦过大的阀门会遭受许多负面影响，包括摆动或执行器过度校正。杆磨损；执行器退化；并降低了设备的可靠性和使用寿命。所有这些因素都可能导致停机或设备故障。在保持无泄漏运行的同时减少填料摩擦需要精细的平衡，这在很大程度上取决于阀门的填料。

     阀填料产生的摩擦通常用填料摩擦方程中两个变量f和y的乘积表示：

     填料摩擦力（L）= Gs π f * y * Di * H * N，其中Gs是压盖应力，π是3.14159，fy是填料摩擦系数，Di是阀填料的内径（阀杆直径） ，H是填料环的高度，N是填料环的数量。

     无量纲fy值是两个单独值的乘积，即填充材料的摩擦系数（用“ f”表示）和轴向应力与平均径向应力的传递比（用“ y”表示）。这两个值相乘形成一个单独的变量fy，该变量代表填料在阀杆上的总摩擦系数。

     阀门填料制造商多年来一直致力于降低其填料产品的fy值，力图确定理想的材料组合，以便为最终用户提供在保持低摩擦力的同时提供一致密封性能的填料。许多包装类型在这两个方面中的一个方面都表现出色，而另一方面却缺乏。换句话说，在一种材料可能有效密封但产生高摩擦载荷的情况下，另一种材料可能产生低摩擦载荷但难以维持多个循环的密封性能。

     这种不平衡通常迫使最终用户基于一种能力的强度来选择填料类型，而另一方面损害其性能。

    阀门填料材料

     多年以来，大多数阀门填料都是用石棉制成的，并装有各种形式的人造润滑剂。最终，人们意识到了吸入石棉的负面影响，因此业界在寻找并找到了一种价格相对便宜且丰富的替代品：石墨。石墨很容易获得，几十年来一直用作润滑剂。

     对于大多数阀门来说，这种被广泛接受的替代材料是编织石墨纱和模压成型柔性石墨的组合。编织纱环和模具成型的柔性石墨填料环一起使用以实现阀杆密封。该配置通常在中间包括三个模具成型的柔性石墨环，在端部包括两个编织纱环，以防止内部模具成型的环挤出（上面的图1）。

       尽管此解决方案价格便宜且可提供有效的密封，但诊断测试表明，该密封套件会产生较高的摩擦力，并且在控制阀中的使用寿命相对有限。使用模压成型的柔性石墨环的特征之一是，在制造这些环时，通常将其预成型为每立方英尺密度90磅。为了达到这种密度，必须在模具中将石墨压缩到大约2,000-2,200 psi的轴向应力。这意味着模具成型的环需要克服成型压力才能密封。因此，模具成型填料的典型推荐压盖应力范围为3,000-5,000 psi。当考虑前述的填料摩擦方程时，很明显，随着施加更大的压盖应力，更大的填料摩擦被施加到杆上。

      PTFE填料的性能和优点

      包含聚四氟乙烯（PTFE）的填料的引入是控制阀填料领域的一次革命。PTFE的许多机械性能都吸引人，它们可用作控制阀的阀杆密封剂。它是无孔的，化学惰性的，并且在相对较高的温度下仍然稳定（通常具有350°F或177°C到615°F或324°C的温度上限，具体取决于填料的聚四氟乙烯的特性）。在过去的几十年中，使用含PTFE的阀门填料来减少阀杆和填料之间的摩擦，从而使阀门能够更平稳地运行，同时减少磨损并提高设备可靠性。

        基于PTFE的填料并非没有局限性，并非所有的操作条件都适用于这种材料。必须考虑温度和辐射极限。

        为了使用可用信息验证和量化基于PTFE的填料的好处，本文的作者及其研究引用了使用各种形式的阀填料对控制阀中的摩擦系数进行了比较。该研究无意被视为科学性的-尚未进行适当的统计分析。但是本文将比较信息以检查填料类型的差异。该研究使用的数据是从用于家庭电力行业的基于Web的阀门填料数据库软件获得的。

     比较研究

       研究中使用的填料数据库允许最终用户输入某些阀门参数，以预测由填料组引起的摩擦。用户输入各种数据，例如阀杆和填料函的直径，填料压盖螺柱的直径，填料压盖螺柱的数量以及所需的填料（压盖）应力。然后，软件使用一组存储的默认fy值来预测阀填料引起的总摩擦。这些预测的摩擦值对于要求在一定时域内运行的阀门特别重要。如果预计的摩擦力太高，最终用户可以选择使用替代包装材料或减少环的数量，以使预计的摩擦力回到可接受的范围内。

        与每种填料类型关联的默认fy值基于包装制造商的输入，通常来自内部测试。通常，此测试是在实验室条件下进行的，并且可能代表“理想”的情况，而实际摩擦系数可能会根据该领域的多个因素而有很大差异。为了更准确地预测fy值，在软件应用程序中添加了一个功能，以允许最终用户输入从每个控制阀的诊断测试获得的实际测得的摩擦力。基于该现场的实际数据，该程序将对每个单独的阀反向计算阀填料的实际测得的fy值。

        目标是收集足够的数据点，以便可以根据现场数据修改默认值，以更准确地预测实际摩擦。该数据提供了比较汇总数据的能力。当绘制成电子表格时，数据显示某些包装类型相对于其实际fy值如何相互比较。最有意义的比较之一是标准纱线和石墨填料组与PTFE基填料组的实际fy值。

      比较实数值

      大约比较了1,000条记录，并针对每种包装类型计算了平均实际fy值。如表1所示，包含编织的纱环和模压成型的柔性石墨而不含PTFE的盘根的平均实际fy值为0.065；带模具成型挠性密封环的PTFE编织环的平均实际fy值为0.053；那些包含PTFE编织环而没有模具成型的柔性石墨环的填料的实际fy值为0.043。

       尽管数据集相对较小，因为自从数据跟踪开始以来，经过诊断测试的阀门数量众多，但结果证明了基于PTFE的阀门填料具有一致的减少摩擦的能力。数据表明，使用基于PTFE的背衬可以将摩擦系数降低约34％，这意味着执行器裕度和阀门可操作性显着提高。

      基于此可用数据，PTFE阀填料在控制阀应用中的性能优于石墨和纱线填料。

        DAVID STEFFEN是Curtiss-Wright核部门（www.cwnuclear.com）的高级产品经理。通过dsteffen@curtisswright.com与他联系。