【摘要】阀门是石油化工管道系统中必不可少的控制元件，是保护管路、 实现装置安全有效运行的一个基本管路元件， 对石化炼油装置而言，其正常运行至关重要。因此，阀门的密封好坏是衡量其性能的重要指标。基于此，文章通过对阀门密封原理的分析，重点阐述了阀门填料函和阀门外泄漏原因，讨论了目前所采用的改善方法。
【关键词】阀门;密封;泄漏;填料
阀门是石油化工管道系统中必不可少的控制元件，是保护管路、实现装置安全有效运行的一个基本管路元件，通常用来启闭管路、调节流体流量等，以满足工艺需要。
石油化工生产中的介质多为腐蚀性强、有毒或易燃易爆的，阀门泄漏时，不仅会造成严重的原材料和产品的浪费，而且对环境也造成严重的影响，甚至引起严重的安全事故。因此，对于石化炼油装置而言，阀门的正常运行至关重要。所以，从安全生产的角度来看，阀门泄漏影响工艺操作，并且会带来较大风险。从环保的角度来说，阀门的泄漏所造成的污染亦不容忽视。因此，阀门的密封好坏是衡量其性能的重要指标。
1 阀门的密封性能
阀门的密封性能是指阀门各密封部位阻止介质泄漏的能力，是考验阀门质量优劣最重要的的技术性能指标。其密封性能主要考察两个方面，即阀门的内漏和外漏。也因此，阀门的密封主要分为两部分。即，
(1)阀座与关闭件互相接触进行关闭的部分，即通常所说的阀门密封副，此部位的密封失效将会导致阀门的内泄漏。导致阀门内漏的原因很多，包括制造工艺不佳、密封面变形、介质内杂质以及介质腐蚀等。
(2)阀杆与填料函、阀体与阀盖的连接部分，这两个连接部位导致阀门的外泄漏。阀门外漏所造成的后果往往比内漏更加严重。生产中，阀门的外漏不仅会造成原材料及能源的浪费，还会污染环境，甚至引起火灾、爆炸、中毒等危害生命安全的事故。特别是对于石化产业中高温高压、易燃易爆、有毒或有腐蚀性的介质，阀门外漏应严格控制，工程常用标准为 ISO15848《工业阀门.漏气的测量、试验和鉴定程序》及SHELL77-312《阀门外漏的检测规定》等。
1.1 阀杆的填料函密封
阀杆密封分为无填料密封和填料密封。
无填料密封包括波纹管及膜片密封等，与填料密封相比，优点是密封性能可靠;缺点是不能用于高压介质且波纹管密封件制造较困难，成本高，而且使用过程中一旦破裂，渗漏将会十分严重。
填料密封是用填料填塞泄漏通道， 阻止泄漏的一种密封形式。密封填料又分软质密封填料和成型填料两种。填料密封虽不及无填料密封可靠，但由于其结构简单，加工制造方便，价格低廉，而被广泛使用。
软质填料密封是靠填料压盖的轴向压力，使之在阀杆与填料以及填料与填料箱侧壁之间产生一定的径向接触应力(径向比压)而达到密封的。因此，要达到密封，压盖的轴向力必须足够大，这就造成填料与阀杆之间摩擦转矩增大，磨损增加，因而软质密封填料磨损快，须经常拧紧压盖螺栓或更换填料，才能保证较好的密封效果。
成型填料则是以橡胶、工程塑料、石墨等弹塑性材料为原材料，采用模压成型或车削加工制成的各种环行密封圈。相比之下，成型填料结构紧凑，密封性能好，品种规格齐全，适用范围广，目前使用较为广泛。
1.2 阀体连接部位的密封
阀体连接部位密封，是指阀体与阀盖之间的密封，一般情况下为法兰连接密封，当阀门的公称直径较小时为螺纹连接密封。就密封性质而言，该连接属于静密封，它应满足下列要求：
(1)能适应温度和压力的急剧变化;
(2)多次拆卸而不损坏密封元件;
(3)结构简单、紧凑，金属消耗量少;
(4)对振动和冲击载荷不敏感;
(5)能满足各种工作介质的使用要求。
阀体的连接部位，通常采用榫槽式或凹凸式平垫片密封以及“ O”形密封圈密封。
榫槽式平垫片密封，是将平垫片安装在封闭槽中，这种结构在密封面上，可产生很高的密封比压，通常远远超过垫片材料的屈服极限，从而保证了可靠的密封性。这种密封形式适用于压力大于等于 4.0 MPa 的中高压阀门。其缺点是：因拆卸阀门时需将垫片自密封槽中取出，这往往会损坏垫片。
凹凸式平垫片密封，是将平垫片安装在凹凸面法兰的密封面上，与榫槽式平垫片密封结构相比，有两大优点，其一，拆卸阀门时，垫片容易取出;其二，因密封槽呈阶梯状，故加工工艺性能较好。
平垫片的材料，根据工艺参数和流体性质，可选用铝、紫铜、1Cr18Ni9Ti 和橡胶石棉板等。氟塑料也是常用的垫片密封材料，但由于其具有冷流性，如果密封结构设计不当，将导致不良后果。
相比而言，“ O”形密封圈结构简单，制造方便，只要密封结构设计合理，装配后就能产生足够的径向挤压变形，可不必轴向加载即可达到密封，因此，将其用作法兰连接密封，可减小法兰结构尺寸，从而减轻阀门重量。而对于低压小通径阀门，为减小阀体结构尺寸和重量，阀体一般采用内螺纹连接，而连接处的密封元件也可采用平垫片或“ O”形密封圈。
2 阀门外漏原因及解决方法
外漏是指阀杆填料部位的泄漏、中法兰垫片部位的泄漏及阀体因铸件缺陷所造成的泄漏。
2.1 阀杆泄漏的原因及解决方法
阀杆是带动启闭件使阀门开启和关闭的重要受力部件，其表面粗糙度对阀杆处的密封影响非常明显。虽然与其接触的密封材料为非金属材料，容易填充接触面的微观空隙，但由于阀杆为运动零件，过大的粗糙度会造成阀杆的不均匀磨损，从而造成泄漏的机会。同理，阀杆的不直度也是影响该处密封的关键之一，这是因为如果阀杆直线度不够好，会在运动中造成结构上的空隙，从而造成泄漏的机会。
阀杆材料往往是由应用的介质条件所决定，阀杆材料的耐磨性因此受到限制，但可以通过表面处理来提高阀杆的耐磨性。常用的提高阀杆耐磨性的措施有表面热处理、镀合金或金属(如镀铬)、渗氮等。这些方法各有特点，存在不耐腐蚀或降低阀杆的韧性等副作用，或提高了产品成本。一般应根据介质条件等综合考虑。
目前，阀杆的密封性能可以从以下几个方面加以改进：
(1)提高相关密封零部件的加工精度;
(2)提高阀杆的密封耐磨性;
(3)选择合适的填料形状和组合;
(4)合理的填料预压力。
2.2 填料函泄漏的原因及解决方法
填料函由填料箱、填料、填料垫以及填料压盖等组成。填料箱置于阀体或阀盖上，起容纳填料的作用。填料垫置于填料箱底部，起支撑填料的作用。介质在密封填料处泄漏，可能是因为填料压盖松动、密封填料不严密、填料品种或质量不符合要求、填料老化或被阀杆表面磨损、填料装置损坏等。
对 DN≥50 mm 的闸阀和截止阀[1]， 大部分制造厂普遍采用在阀杆密封处采用柔性石墨环和柔性石墨编织填料的做法。其中填料最上圈和最下圈采用柔性石墨编织环，以利用其强度较高的特点阻止石墨被挤入阀腔或阀外，中间则采用模压石墨环(有时也在中间适当的位置增设编织环)。对于填料函尺寸较小的阀门，则仅用柔性石墨编织填料。
填料在装填过程中进行预压缩也是保证良好密封、尤其是长期良好密封的措施之一。国内的阀门在填料装填过程中大多数仅限于压实填料，故其密封性随应用时间增长而变差。国外在加氢裂化阀门产品填料装填过程中，盘根环在 31 MPa 高压下进行逐个预压，因此能维持较长时间的良好密封。
还有一些阀门在填料压盖处采用了蝶形弹簧活载结构。即在填料压盖的螺栓上增设碟簧，因柔性石墨填料会由于磨损和热烧损等原因出现应力松弛，这种碟簧活载结构使填料压盖始终作用于填料上较大压力，从而可防止因压盖螺栓松驰或填料松驰而造成外漏。
现在，国内外阀门盘根压盖一般均为分体式，分为压盖和压圈。这种结构使压圈自动对中，螺栓经压盖、压圈产生的压力在填料盘根上周向均匀分布，易使填料维持良好密封。
填料函的加工精度对阀门的密封性能有直接的影响。国外阀门制造厂一般按照 API600 相应要求执行，填料函表面粗糙度 Ra值可控制在 3.2×10-3 mm。
2.3 阀盖处泄漏的原因及解决方法
阀盖处的密封为静密封结构，一般情况下为法兰连接密封，当阀门公称直径较小时为螺纹连接密封。垫片的类型、材质或尺寸不符合要求、法兰密封面加工质量差、连接螺栓紧固不当、管道配置不合理而在连接处产生过大附加载荷等原因，都可能引起阀体连接部位泄漏。
对于采用垫片型式的密封副，提高密封副的加工精度即能增加其密封性能。一般情况下，这些密封面的加工精度应控制在1.6~3.2 μm[2]。 值得注意的是， 密封面上切忌出现径向加工缺陷(包括划痕)。密封面即使很微小的径向缺陷也会导致泄漏量急剧增加。
另外，高压阀门(CL1500 及以上)在阀盖与阀体连接处采用压力自密封结构，这种自紧密封结构是通过阀门内流体压力提供阀体和阀盖紧密的密封。
压力自密封采用金属垫和柔性石墨复合垫两种。有部分厂家金属垫采用金属整体镀银处理，银的塑性较好，易填充密封面上的微观孔隙，从而确保高压下阀盖垫片的密封性能。但针对高温强烈腐蚀性介质，目前国外阀门厂一般采用柔性石墨复合垫。该垫片由不锈钢钢丝包覆柔性膨胀石墨组成，结合了金属垫和柔性石墨各自的优点，取得了很好的密封效果。
3 结束语
综上所述，阀门发生外漏主要是由于阀杆处的磨损、填料函选型和材质的不合适、阀盖处垫片的失效以及螺栓紧固不当所造成的。因此，在阀门的制造过程中，控制阀门外泄漏的关键在于优化阀门密封结构的设计，根据不同的工艺条件合理选择阀门的密封型式和密封材料，提高阀杆及填料函的加工精度，选择合适的填料型式和组合，合理控制密封副的螺栓预紧力，另外，还可以在合适的阀门类型中使用压力自密封结构等新型密封结构，从而提高阀门的密封性能，有效地保证阀门长周期，安全可靠运行。
参考文献
[1]岳进才.高压加氢装置阀门的使用及要求.阀门， 2001(3)： 23-30.
[2]岳进才.石油化工用阀门外漏的分析及控制.阀门， 2006(5)： 37-39.
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