当前终端市场的需求越来越旺盛，低泄漏密封系统更应该继续确保良好的运行顺畅性和能源效率。施加给阀杆填料的摩擦荷载，对上述方面因素都有负面影响。对阀门和填料生产商而言，难点在于如何准确预判填料在特定阀门中的性能走势，并加以改良。
为了同时满足低泄漏和高能效的要求，首先要有一套全局设计方法，尽可能地优化密封系统性能和摩擦力之间的关系。但目前在欧洲，既没有关于填料设计的标准计算方法，也没有全局特性（机械性能、摩擦力、密封性能与填料荷载）分析方法。En1591-1和EN13555列举的栓接法兰接头及相关密封垫的情况，大致也是如此。鉴于此等现状，Cetim（法国机械行业技术中心）、欧洲密封协会（ESA）和流体密封协会（FSA）合作，着手开发了一套计算填料初始紧固作用力的方法，以便确保摩擦力和密封性能达到特定性能指标。
数学模型和相关计算工具
采用了简化的非对称填料函填料二维构型，如图1所示。但对于压盖法兰机械性能完好性检测而言，采用的是双螺栓非轴对称构型。
图2是全局计算步骤。可通过专门开发的“.xls”表格文件进行具体计算。计算主要包括两个主要步骤。
1. 计算需要多大的螺栓初始荷载，才能确保所有状况下（组装和运行时）都达到规定的密闭标准。确定紧密度计算值的离散极差。
2. 检查螺栓和压盖法兰的机械性能完好性，并检查密闭参数达到最高值的情况下，对应的初始螺栓紧固扭矩产生的填料摩擦力。压盖变形（弯曲）的因素予以忽视，并且假定螺栓承受的轴向荷载，被全部传递给接触到压盖的第一层密封圈。假定压盖会发生一定的理论轴向位移，且不考虑任何偏差因素。力学模型考虑到了填料及加荷系统的变形和刚度。不考虑压盖、填料函或螺栓的变形。
计算螺栓荷载在组装阶段和运行状态下的差值时，考虑到了填料组件的不均匀轴向热膨胀系数，以及填料密封圈的蠕变/松弛特性。计算模型可以考虑采用活荷载系统。
填料的特性
计算模型可以采纳以下各种填料材质特性：
·针对密封性能：处于紧固阶段和设备运行中，为达到密闭等级L而需要施加在填料顶端表面的初始轴向接触压力，即QA（L）和Qsmin（L），针对机械性能：
· 松弛（蠕变）系数
· 轴向至径向荷载传递系数
· 阀杆/填料之间，以及外壳/填料界面处的静摩擦系数阀杆/填料界面处的动摩擦系数(阀杆做线性运动或旋转）
•填料密封圈的轴向热膨胀
•填料密封圈的荷载/厚度曲线
•填料密封圈卸载时的弹性模量
为了确定材质的各项参数，特意开发了专用的试验设施和特定试验规程。如图3，试验台包括了以下设备：
•阀杆执行器（旋转或线性）
•安装在阀杆上的摩擦力测量系统（针对线性运动的作用力传感器，或针对旋转运动的扭矩传感器）
•压迫装置，可以通过压盖给填料施加特定的作用力
•试验中容纳填料的容器。试验需要两个容器，可以依次安装到试验台架上。容器的尺寸、间隙公差和表面光洁度，均遵循‘API 622-工艺阀门填料的逸散泄漏型式试验’标准：
· 密封试验容器：用于测定初始/残余填料荷载与泄漏率的相互关系。（图4）
· 机械试验容器：用于测定填料的机械性能参数（图5）。该容器最高能在150℃进行试验，采用图6所示的加热装置。
图7和图8分别是两种类型石墨填料（包含四个密封圈和两个防挤出圈）的密封试验结果。以图7为例：已知泄漏率的规定值是2E-04[毫巴升/秒/毫米（mbar.l/s/mm）]，流体工作压力是40巴，即可根据图7中的曲线图，查出需要达到的残余轴向压力是32巴。
泄漏情况也可以像EN 13555试验报告那样，采用表格的形式呈现。除了泄漏以外，还有机械性能参数的试验，见图9的典型案例。
小结
针对填料组件的泄漏率和机械性能参数，目前已经研制并测试了专用的试验装置。同时还确定了根据填料组件的情况，计算压盖所需荷载的方法。下一步（正在进行中）就是用两台阀门进行试验，结合有限元分析，验证上述方法的准确性。
作者简介
Hubert是Cetim（法国机械行业技术中心）的机械工程师兼密封技术高级专家。他也是欧洲密封协会（ESA）填料分会的会员。