1．前言

閥門填料在閥門安全運行中起到至關重要的作用。填料選用好壞直接影響到安裝在壓力管道。或工業設備上閥門的可靠性，填料泄漏易造成有毒有害、易燃易爆或高溫介質的泄出，嚴重時可危及人身和財產安全。因此，對閥門填料的可靠性研究顯得尤為重要，通過大量的模擬試驗對填料進行選型，是判斷填料適應性的一項重要的基礎工作，而閥門填料試驗機是進行這項工作不可缺少的設備。

2．依據標準

在JB/T7760～2008《閥門填料密封試驗規范》中明確規定了填料試驗的設備要求和試驗方法。

3．填料試驗設備的工作原理

JB/T7760—2008《閥門填料密封 試驗規范》標準中給出了閥門填料試驗機模擬圖(圖1)。

從圖中可看出閥門填料試驗機的基本構成。閥門填料試驗機是由驅動裝置(液壓油缸)、填料箱、填料函、填料壓蓋、測力機構、加熱及溫度控制系統、介質壓力給定及測量系統所組成。其工作原理為：將被測填料裝入填料箱兩端的填料函中，將填料壓蓋壓緊至預緊力，給填料箱中輸送介質并加壓到給定值，然后給介質加溫至給定溫度，升溫過程中應密切觀察壓力和填料壓蓋預緊力的變化，壓力隨溫度的升高而升高，此時應通過節流閥調整壓力至給定值，預緊力則隨著溫度的升高而降低，這是由于填料隨著溫度的升高而產生的松弛現象所致，此時應給填料壓蓋施加預緊力，否則填料箱中的介質會因汽化而噴出。當壓力和溫度達到給定參數時，驅動裝置帶動模擬閥桿做往復運動，動作行程由行程開關進行控制，循環次數由電磁計數器自動記錄，摩擦力則是通過連接在驅動裝置和模擬閥桿間的拉壓力傳感器測出拉壓力值通過換算而獲得。當運行到填料產生泄漏時(有過熱水蒸氣從填料函噴出)，記錄下此時的循環數值即為填料的壽命次數。

4．原閥門填料試驗機存在的問題

筆者曾于1982年～1983年參與原高溫高壓填料試驗機的安裝和調試并參與大量的填料試驗研究工作，試驗中發現該型試驗機在當時測量儀器和控制元件匱乏的條件下有幾處不盡完善的地方。

4.1 試驗機結構型式

原試驗機采用臥式結構(見JB/T7760—2008《閥門填料密封試驗規范》標準中給出的閥門填料試驗機模擬圖)，而在壓力管道上實際運行時卻以立式為多(垂直與管道安裝)，因此臥式結構由于閥桿和傳感器受重力作用，閥桿和填料摩擦不均勻，填料函下部的填料易產生磨損，引起介質泄漏。

4.2 測量原理

原設備預緊力和摩擦力的測試是通過拉壓力傳感器進行測試和換算的。測試數據主要是將壓力傳感器輸出的電壓值經電阻應變儀放大后由函數記錄儀繪出曲線讀出，由于受介質溫度傳導影響，電阻應變儀極易產生零點漂移，使測試結果產生誤差。

由于受當時傳感技術落后的影響，原閥門填料試驗機需要三個拉壓力傳感器，兩個1噸的壓力傳感器放置在填料箱兩端的填料壓蓋上，當擰緊壓蓋螺母時，壓緊力通過壓力傳感器傳至填料壓蓋上。摩擦力則是通過一個5噸的拉壓力傳感器兩端分別連接驅動裝置輸出軸和模擬閥桿，當驅動裝置做往復運動時，閥桿也同步運動。采集傳感器輸出的電壓信號，經電阻應變儀放大后經函數記錄儀記錄下受力曲線，通過比對和換算得出預緊力和摩擦力。當時選用的是電阻應變傳感器，該傳感器感溫靈敏，適用在攝氏溫度不高于45度條件下工作，而當時采用填料箱外加熱方式，即將電加熱器安裝在填料箱上，外敷保溫材料。由于給介質加熱的同時，熱量也通過填料函和閥桿傳至給傳感器上，致使傳感器產生零點漂移，不能穩定工作，為使傳感器降溫，采用在閥桿和填料壓蓋壓緊螺栓上加循環水套，阻斷熱量向傳感器傳導，該冷卻方法雖然能使傳感器工作，但也減緩了介質溫度的上升，試驗最高溫度僅達到攝氏250度左右，不能達到一般鋼制閥門設計溫度425度要求，也不能滿足JB/T7760—2008標準4.3條推薦采用的介質最高溫度(攝氏溫度550度)。

4.3 配套設備

原試驗機除主試驗臺外，還有其他的輔助設施，有液壓站、電器控制臺、儀器工作臺、可控硅溫控電源等。占地面積大，噪聲高，能耗多，不宜維護保養。

5．新填料試驗機的設計構想

由于上述原因，原填料試驗機一直沒有得到有效推廣。筆者認為新的填料試驗機應首先符合實際工況，采用立式結構(圖2)。

5.1 驅動裝置的構想

由于原填料試驗機用液壓油缸作為驅動裝置，為使液壓油缸動作，需建有液壓站，運行維護成本高、壽命短、易產生液壓油泄漏和液壓元件故障。

近年隨著氣動元件的飛速發展，筆者設想，新填料試驗機應采用氣動元件作為驅動裝置，將氣動裝置輸出軸與模擬閥桿剛性連接，氣動裝置只要在0.3MPa～0.8MPa氣源壓力下即可動作，且氣動裝置壽命長，易控制和維護，符合節能和環保要求。氣動裝置可采用往復型或旋轉型。

5.2 測量試驗參數的構想

由于氣源是壓縮空氣，氣體經容器出口減壓閥減壓和過濾后輸出的是恒定氣壓值，測量閥桿和填料間的摩擦力可以通過采集作用于氣缸上的氣源壓力，由壓力變送器進行轉換，經數據處理后即可得到摩擦力值。這樣可以避免使用感溫靈敏的拉壓力傳感器。

式中：f——摩擦力，N；

F——氣源壓力，MPa；

S——氣缸面積，cm²；

u——填料摩擦系數。

隨著傳感技術的發展，國內已研制出耐高溫壓力傳感器(最高工作溫度可達攝氏150度)。測量填料預緊力的傳感器在有冷卻條件下可考慮選擇配置。

由于預緊力的大小直接影響到閥桿與填料問的摩擦力，預緊力大，填料密封性能好，和閥桿之間的摩擦力增大，閥門啟閉力矩增加，填料使用壽命短。因此選擇合適的預緊力，關系到閥門的啟閉力矩和填料的使用壽命。現實情況很少有閥門制造企業用傳感器去測量填料的預緊力的，多數選用氣動扳手。由于在給定的氣源壓力下，氣動扳手力矩恒定，預緊力恒定。因此可以采用用力矩扳手擰緊填料壓蓋螺母，通過填料壓套給填料施加預緊力。隨著試驗介質溫度的升高，填料可能產生松弛現象引起介質泄漏，這就要求在達到給定的介質壓力和溫度時，用力矩扳手去擰緊填料壓蓋螺母，直至填料密封為止，記錄下達到密封時的力矩值。然后就可以進行填料壽命試驗，試驗次數可以用行程開關和電氣控制來實現。

壓緊力和扭矩的關系為：

式中：M——擰緊扭矩，N·m；

K——擰緊扭矩系數；

P₀——預緊力，N；

d——螺紋直徑，mm。

合適的填料預緊力矩參數對閥門制造企業和用戶尤為重要。

5．3 溫度和控制

隨著溫控技術的發展，溫度控制技術已不是技術難題，采用熱電偶和溫控器即可解決。關鍵是如何達到給定溫度，由于介質有壓力甚至是高壓，采用內置式電加熱已不現實。采用電熱鍋爐供給蒸汽，運行成本大、壓力低。唯一可選擇的安全易行的還是采用定制外敷式電加熱器，將加熱器安裝在填料箱的表面，為了能達到給定的設計溫度，應適當增加填料箱的表面積，并采取保溫措施。也可采用火焰加熱方式，及將填料箱放置于火焰上進行加熱，根據給定溫度對火焰大小進行控制。

6．數據處理

通過數據采集，用計算機將數據進行處理。可以得出閥桿和填料之間的摩擦力；填料的預緊力；泄漏率待終止試驗系統冷卻后采集；填料的磨耗量用天平稱重獲得。

式中：W_N——閥桿開啟N次后填料磨耗量，g；

W₁——試驗前填料質量，g；

W₂₁——試驗后填料質量，g。

7．安全防護

由于填料箱有壓力，填料損壞時會有大量的過熱蒸汽和過熱水從填料函噴出，因此安全防護措施必不可少，試驗機周圍應安裝防護板，試驗時應透過防護板上的觀察玻璃窗口(玻璃應采用鋼化玻璃)進行觀察，也可通過攝像裝置進行觀察。試驗人員應穿長袖工作服，配防護眼睛和隔熱手套進行試驗過程中的操作，以免造成燙傷事故發生。

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