PDS高頻開關球閥閥桿填料密封設計

中圖分類號：TQ315 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0129-04

Abstract：Thisarticledidresearchesonthestructure designofPDSballvalvestempackingbox intheproductionof polypropylene powderreactor，andanalyzedthegalingandleakageproblemsofPDSballvalvestempacking box.Bysimulating thevalvestrokingfrequencytestinactualworkingconditions，thestructureofPDSballvalvestempackingboxwasoptimized， and the sealing performance and service life of PDS ball valve stem packing box were improved.

Keywords：PDSballvalve; high-cycle stroking;valve packing box;galling;sealing performance;service life

PDS球閥的全稱是粉料排放系統（ProductsDis-chargeSystem）球閥。這種閥門主要用于聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）裝置中的粉料排放單元，具有高頻開關、高速動作、嚴格順控等特點，常用于需要頻繁開關的化工行業場合。在處理精細、研磨性粉末顆粒的工況也得到廣泛應用。

PDS球閥作為生產聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）裝置的重要部件之一，其密封性能和高瀕開關壽命是決定生產裝置系統能否穩定運行的關鍵因素。聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）生產過程中的自有特性，決定其易引起物料堆積結塊，從而易引起閥座變形，閥門開關卡頓，閥桿損壞；長時間高頻度的開關，導致PDS球閥球體和閥座處易磨損拉傷，進而導致內漏；聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）粉末易侵人填料函，促使軸承磨損，閥桿填料磨損加劇，閥桿偏移，閥門閥桿填料處泄漏。以上問題一旦發生，整個生產線都得停車維修，這會造成相當大的經濟損失。本文圍繞著PDS球閥閥桿填料處泄漏問題展開分析和研究，通過工廠模擬實際使用工況，獲得一些PDS球閥循環開關試驗數據，從而對閥桿填料處結構進行優化改進，并對閥桿填料處日常維修提出一些建議。

1說明

本文采用聚丙烯（PP）Unipol工藝生產裝置上PBT出口的PDS球閥E閥的閥桿填料作為研究對象，對閥桿填料處泄漏問題進行分析研究。受篇幅影響只對填料泄漏和改進后效果較好的2種填料結構加以說明。另外出于技術保密的考慮，本文未列出填料的面壓力及螺栓預緊扭矩的技術細節及詳細的計算，只給出能夠說明問題的最終計算結果。

2生產聚丙烯裝置現場發生泄漏的PDS球閥閥桿填料函結構

填料函上部是采用某品牌的有角度差的石墨填料，填料上下2層為編制石墨，中間幾層為柔性石墨；填料函底部為帶內外0型圈密封的填料墊環，0型圈不但能提供可靠的密封，同時還能起到防止聚丙烯粉末侵入填料函的作用；采用壓板和壓套壓緊填料，每個壓板螺栓下設計4片碟簧，為填料提供持續的預壓緊力；壓套和閥蓋上分別有一個軸承，材質為鋁青銅，防正高瀕開關過程中閥桿偏移；閥桿與壓蓋間有1片墊片，材質為鋁青銅。發生泄漏的閥桿填料函結構簡圖如圖1所示。

3生產聚丙烯裝置現場PDS球閥閥桿填料泄漏原因分析

出現泄漏的閥門垂直安裝在管線上，即閥桿平行于地面。工藝要求閥門采用單作用彈簧復位氣缸，開關時間小于 2.5s ，每 1.5min 開關一次，整個生產聚丙烯裝置系統除常規例行的維護保養時會停車外，其余時間都是在不間斷地運行，一年開關至少35萬次。在發現閥門泄漏時，閥門在管線上運行了5個月左右，這尚未達到PDS球閥使用壽命要求。

現場發現在閥門下方的地面上，堆積著一些大小不一的黑色固體塊狀物。進一步發現，填料壓板螺栓下的碟簧已經松弛，能提供的預緊力也小了很多。從現場情況分析判斷，閥門在高頻開關過程中，閥桿填料被磨碎破壞。當聚丙烯粉末侵入填料函后，與被閥桿磨碎的石墨填料混合在一起攪拌。經過多次高頻開關后，聚丙烯粉和石墨碎屑的混合物逐漸從閥桿和填料函之間間隙擠出。詳細磨損情況如圖2所示。

對泄漏閥門拆檢后發現，閥桿填料函里面的石墨填料與現場分析相同，已被磨損很多，尤其是填料組中間部分，由石墨箔卷制模壓成型的純石墨填料。且填料自身結構也遭到了嚴重的破壞，磨損后形成了許多石墨粉和小片狀石墨。閥桿與填料配合段表面尚好，未發現明顯的磨損。填料墊環上與閥桿接觸的內0型圈磨損嚴重，已被磨去了大半，已經失效。填料墊環上與填料函接觸的外道O型圈無磨損。閥桿和閥蓋間的墊片也出現了磨損拉傷。壓套和閥蓋處的軸承也有磨損。

通過分析泄漏現場和樣機拆檢可以推斷，石墨填料在長期高頻開關情況下，由于閥桿表面粗糙度較高（粗糙度大約在Ra1.6左右），當石墨填料安裝到閥門后，就已經被壓緊、填充在閥桿表面微觀的不平整面上了，即我們常說的石墨粘在閥桿表面。在開關過程中原本已粘在閥桿上的石墨，伴隨閥門的開關，閥桿旋轉的同時，又進一步粘連了更多的石墨填料。由于PDS球閥是定向四分之一旋轉，在閥門開或關旋轉到位時，閥桿表面上黏附的石墨會被擠壓到一側，在長時間高頻次的四分之一旋轉開關過程中，與閥桿表面接觸的石墨填料宏觀結構，被一點點蠶食破壞，促使填料整體結構變得松散。尤其在填料中間層的純石墨圈被磨削成粉狀、片狀。壓板螺栓下的碟簧預緊力已不足以補充到填料。填料墊環上與閥桿接觸的內道O型圈原本可以防正聚丙烯粉末進入填料函，但由于閥門長期高頻開關，閥桿和O型圈之間干摩擦產生熱量，使。型圈橡膠變軟發黏，軟化后的橡膠粘在閥桿上，在閥門高頻開關，閥桿長期地往復旋轉過程中，0型圈與閥桿接觸部位被撕扯掉，從而導致失效。在填料墊環上的內道0型圈被磨損失效后，聚丙烯粉末侵入填料函，與磨損的石墨填料碎屑進行混合，進一步破壞填料結構。閥桿填料函空間能容納的填料和聚丙烯有限，經過長期高頻旋轉開關后，混合物被擠到一處，進而閥桿和填料間隙之間就形成泄漏通道，混合物沿著泄漏通道被一點點地擠出填料函。此外發現閥桿和閥蓋之間的墊片磨損較大，在別的PDS球閥上也出現了類似問題，由此推斷上閥桿和閥蓋間的墊片不適合使用鋁青銅材料。

4基于上述泄漏原因分析而改進的閥桿填料函結構（一）

起初設計了多個改進結構，經討論共保留2個方案進行試驗，此處介紹改進的結構（一）?；谏鲜鲂孤┰蚍治隹芍?，要解決閥桿處泄漏問題，主要需解決閥桿填料處耐磨的問題和聚丙烯粉末侵入填料函的問題。針對閥桿填料處耐磨問題，首先將閥桿與填料接觸位置的粗糙度提升2個等級，保持閥桿粗糙度在 Ra0.4～Ra0.6 之間，以此來降低由于閥桿上微觀不平整的面對與其接觸的石墨填料造成的磨削程度；其次將有角度差型填料更換為內含金屬絲的編織石墨填料，編織填料要比純柔性石墨耐磨，且內含金屬絲的編織石墨填料自身宏觀結構不易被破壞成片狀、粉狀，且耐磨穩定;最后又增加了壓板螺栓上的碟簧數量，以此來增加填料的持續壓緊力。在保證閥桿填料處不泄漏的情況下，將閥桿填料的面壓力降低，300LB 及以下閥門，建議填料面壓力在 10～15MPa 的范圍內。減小壓板螺栓的預緊扭矩，確保閥門在長期的使用過程中，填料始終都處于被預壓緊狀態，但不被過度壓緊。填料一旦被過度壓緊，填料的磨損將加快，使用壽命大幅下降。針對閥桿填料下方聚丙烯粉末侵入填料函的問題，首先在填料底部增設楔形聚四氟乙烯防塵環，其次在閥桿下方也增設一個楔形聚四氟乙烯防塵環，且閥桿下方的軸承采用復合軸承結構，外部軸承采用青銅材料，內部軸承采用聚四氟乙烯帶，閥桿與閥體之間采用編織PTFE作為初道防塵隔離設計。閥桿和閥蓋間的墊片更換為PEEK材料。改進后的閥桿填料函結構（一）簡圖如圖3所示。

5基于上述泄漏原因分析而改進的閥桿填料函結構（二）

此處介紹改進后的結構（二）。該結構與結構（一）相同的點：填料更換為內含金屬絲的編織石墨填料，防止填料被破壞成片狀、粉狀;增加壓板螺栓上的碟簧數量，以此來增加填料的持續壓緊力；降低填料面壓力及壓板螺栓預緊扭矩；閥桿和閥蓋之間的墊片同為PEEK材料。與結構（一）不相同的點是：把原泄漏閥門填料函結構中的填料墊環，改為一個特殊的，帶O型圈的泛塞圈結構。與填料函外壁接觸位置依然使用一道0型圈密封。與閥桿接觸處使用唇形圈密封，防止聚丙烯粉塵侵入填料函。常用泛塞圈外殼為PTFE材質，為了防止PDS球閥在高頻開關過程中，泛塞圈磨損，增加耐磨性，泛塞圈外殼使用PEEK材質。此外泛塞圈采用V\"形彈簧，彈簧能提供穩定的預緊力，即使閥門在開關過程中泛塞圈外殼與閥桿接觸處有少許磨損，彈簧的預緊力也能給予補償；閥桿粗糙度更低，到 Ra0.2 左右，以此來降低由于閥桿上微觀不平整的面對與其接觸的石墨填料及泛塞圈造成的磨削程度，同時粗糙度更低便于泛塞圈密封及安裝使用；壓套處和閥蓋處的軸承，閥桿與壓蓋接觸的墊片，都使用PEEK材料。改進后的閥桿填料函結構（二）簡圖如圖4所示。

6改進后的閥桿填料函試驗結果

僅針對改進后的結構（一）和結構（二）閥桿填料函，設計了2套相同的試驗工裝，同時試驗。試驗工裝在安裝時，它的方向與生產聚丙烯裝置上E閥相同。試驗所使用的介質為1000目聚丙烯粉末，試驗壓力0.6MPa ，氣源壓力 0.45MPa ，采用單作用彈簧復位氣缸。氣缸開關時間為5s，每90s循環一次，模擬其在高頻開關下的泄漏情況。

模擬閥桿循環開關試驗，前后總共耗時6個多月，在此期間閥桿共循環開關約18萬次，2種結構在試驗工裝下方處均未發現有擠出物。在閥桿填料函處使用泡沫試驗，沒有發現泄漏。

試驗結束后拆檢試驗工裝，閥桿未出現磨損拉傷現象，閥桿與填料配合接觸面未發現磨損，填料本身有微量磨損，在拆卸閥桿時有一些石墨粉末被帶出，閥桿與閥蓋間的墊片有少許磨損，壓蓋和壓套中的軸承有少許磨損。

7結束語

從上面的試驗結果和零件拆檢可知，改進后的閥桿填料函能承受的循環開關次數明顯提高了很多，閥桿填料及軸承等零件的使用壽命也得到了相應的提升，同時也避免了聚丙烯粉末外漏的情況發生。由此可見閥桿表面的粗糙度，防正聚丙烯粉塵侵入填料函的結構，填料材料選用，這些對PDS球閥閥桿填料密封效果及使用壽命有著較大的影響。模擬試驗的工況不能代表閥門實際使用工況，閥桿填料的磨損受到零件粗糙度、填料化學成分、填料預緊力、開關頻次和介質性能等因素影響，本文閥桿填料函的磨損分析及設計改進有著明顯的針對性，可能不適用于普遍工況要求，僅供設計參考。

聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）主要應用于包裝、建筑、電線電纜、農業、汽車、家居用品、體育用品和日用消費品等多個領域。隨著新材料、新工藝的出現和發展，以及市場需求的變化，PDS高頻開關球閥技術也得到較快的發展，其應用領域也將不斷拓展，特別是在高端產品和環保型產品方面將有更大的發展潛力。

參考文獻：

[1]房汝州.2006版實用閥門設計手冊[M].北京：中國知識出版社，2006.

[2]陸培文.實用閥門設計手冊[M].2版.北京：機械工業出版社，2007.