阀门填料摩擦力计算及评估方法探讨

摘要：对于阀门来说，阀杆处的密封一直是一个突出的问题，也是阀门产品当前最薄弱的环节之一。尤其对于有逸散性排放要求的控制阀，既要保证密封，又要保证其正常的调节功能，填料摩擦力的正确选择至关重要。目前，填料摩擦力的计算各个厂家有自己的经验公式或经验数据，差别较大，需要进一步分析总结，以便于更好地指导工程化应用。

关键词：填料摩擦力； 密封

大部分控制阀阀杆采用填料密封形式，使填料沿填料函轴向压紧，由此产生的轴向压缩变形引起填料沿径向内外扩张，形成其对轴和填料函内壁表面的贴紧，产生足够的密封比压，从而阻止内部流体向外泄漏。因此，填料摩擦力的计算和设定，是影响阀门正常运行的重要因素。

然而，目前针对填料摩擦力的计算和设定各国标准不一，差别较大，迄今针对填料摩擦力的计算和设定系统研究的较少，本文系统收集了美国电力研究协会（EPRI）、国内阀门设计书籍、几个控制阀厂家的上述有关资料，并进行了分析研究，以便于更好地指导工程应用。

1  美国电力研究协会（EPRI）关于填料摩擦力的研究

EPRI关于填料摩擦力的计算在《Nuclear Maintenance Applications Center：Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear Power Plants–Revision 2》Volume 1： Gate and Globe Valves，1015396中进行了详细的描述，受力分析考虑了阀杆向下和向上运动两种工况（摩擦力的方向是相反的），分别推导出了作用在阀杆上的填料的径向压强和摩擦力的计算公式。

1）填料作用在阀杆上径向压紧力：

2）无系统压力时，填料摩擦力FPACK为：

3） EPRI给出的经验公式

虽然EPRI给出了填料摩擦力的近似计算方法，但是在实际应用中，通常并不用该方法来确定填料摩擦力，而是大多采用近似的经验数值。因此，EPRI在“Valve Packing Maintenance and Program Practices ，Update to 1000923”中综合考虑了填料类型、填料深度、预紧力、阀杆表面光洁度、活载荷、阀杆运动类型，给出了以下的经验公式：

2 阀门设计手册中关于填料力的经验公式

《阀门设计手册》 （杨源泉）主编，其中第4章（阀门设计与计算）的第5节（阀杆的设计与计算）中给出了阀杆与填料间的摩擦力计算公式：

3阀门设计计算手册中关于填料摩擦力的经验公式

《阀门设计计算手册》（陆培文 高凤琴主编），其中第二章节（典型计算项目）中给出阀杆与填料摩擦力计算公式如下：

4 美国FISHER阀门厂家提供的经验表格

FISHER直行程阀门计算手册中，明确指出当确定采用高密封填料的阀门执行机构选型时，采用下面表格中的填料摩擦力。

5 几种摩擦力公式计算结果比较分析

下面以核电厂常用控制阀RCV030为例，将几个填料摩擦力公式的计算值和经验值比较，RCV030阀门的基本参数如下：

工作压力：1.4MPa

阀杆直径：0.75inch

填料宽度：0.31inch

填料高度：2.2inch

从以上数据分析：

1）EPRI的分析计算基于压水堆主回路压力（17.24MPa），所以计算需要的填料摩擦力数值明显偏大；

2）EPRI的经验公式基于压水堆推荐值（4000psi），换算后是27.5MPa的压力，所以计算需要的填料摩擦力数值也是明显偏大；

3）阀门设计手册、阀门设计计算手册基于阀门自身的介质压力进行计算，本次选用的研究对象介质压力为1.4MPa，压力远低于压水堆主回路系统压力，所以计算得到的填料摩擦力与EPRI计算值和经验值偏差较大；

4）Fisher阀门厂家的高密封填料推荐值是我们在核电厂控制阀摩擦力设定的参考值，但是根据现场的经验，部分调节性能要求高的控制阀实际设定值低至推荐值1/4左右仍可满足密封要求。