控制阀的应用原理、密封法介绍

1、引言

控制阀是自动控制系统中非常重要的一个环节，犹如人的手和脚。控制阀调节流体流量，克服干扰来保证被控变量达到给定的工艺指标。控制阀的阀部分由阀的内件和阀体组成，阀的内件包括阀芯、阀杆、填料函和上阀盖等。上阀盖和填料函用于对阀杆密封和对阀杆进行导向，防止工艺介质沿控制阀门的阀杆这个可动部件向外泄漏，它是阀体不可分割的一部分。

常规的上阀盖结构形式一般有四种：普通型、散热片型、长颈型和波纹管密封型。材质一般有铸铁、铸钢和不锈钢，填料函一般为聚四氟乙烯或柔性石墨。

典型的控制阀的阀盖由与阀体相同的材料或等效的材料制成。阀盖承受与阀体相同的温度和腐蚀性影响，阀杆密封在经过几百次的循环动作之后，就会磨损，在工程应用中，流体压力也会导致密封磨损；填料的选择也是一个问题，填料选择不当，控制阀的摩擦力增大而导致控制阀死区增大或者很容易使阀杆密封失效。

因此，选择控制阀，除了阀体结构、材质、执行机构、口径计算外，还应根据控制流体的压力、温度、压差、流体的性质，合理选择上阀盖的结构形式和填料函，以防止流体沿着控制阀阀杆泄漏出来，即应充分考虑阀杆密封的性能和使用寿命。这在工程设计中显得非常重要。

在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺流体中，控制阀一般不采用普通型、散热片型、长颈型上阀盖及密封结构形式，因为此种结构形式的密封性能和使用寿命极为有限。作者曾在生产现场做过相关实验，采用304不锈钢直行程控制阀调节浓硝酸和浓硫酸混酸流量，使用聚四氟乙烯填料密封结构，不到一个月经过600次左右的全行程的控制阀阀杆的上下运动，聚四氟乙烯填料密封即完全被破坏。在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺条件下，一旦阀杆密封被破坏，强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺介质从控制阀阀杆中泄漏出来，会对周边环境和人身安全带来严重的后果。

采用波纹管密封型形式是解决上述问题的一个途径。波纹管一般由不锈钢做成。这种特殊的阀盖结构保护控制阀的填料函避免和流体接触，一旦波纹管破裂，在波纹管上面的填料函结构会防止波纹管破裂失效时产生的严重后果。在工程实际中，波纹管密封形式的选择应充分考虑波纹管密封的压力的额定值会随温度的增高而降低，流体中不能有固体的颗粒存在，及波纹管材料的最长循环动作寿命等。在不锈钢不耐某些工艺介质腐蚀的强腐蚀的场所，如工艺介质为湿氯气时，湿氯气中含有的微量盐酸会使不锈钢波纹管很快被腐蚀，则控制阀阀杆不能采用波纹管密封的形式。

在这种情况下，正确地选择似乎是采用隔膜控制阀。隔膜控制阀采用了耐腐蚀的衬里和耐腐蚀隔膜，不用填料，可以完全避免腐蚀性介质向外泄漏，但其流量特性不是很好，且受隔膜衬里的限制，耐压、耐温性能较差，最致命的是耐腐蚀隔膜片会由于上下折叠而造成疲劳损坏，寿命很短，一旦耐腐蚀隔膜片破裂，强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺介质会同样从裂口处泄漏出来，因此，隔膜控制阀的使用受到了很大限制。

因此，在强腐蚀、易挥发、有毒有害的工艺条件下，寻找一种可靠、经济和实用的控制阀上阀盖及密封结构形式是保证控制阀可靠工作从而实现生产过程自动控制的关键。

2、控制阀阀杆的新型密封方法

硝化棉硝化工序即浓硝酸和浓硫酸混酸和棉纤维反应生成硝化棉，控制浓硝酸和浓硫酸混酸流量和棉纤维量的比例是保证硝化棉产品质量的关键。在硝化棉硝化工序自控系统的改造中，我们设计了一种新型的阀杆密封方式，成功地解决了调节浓硝酸和浓硫酸混酸流量控制阀的阀杆密封问题。法兰球阀

在聚四氟乙烯填料密封的上方，我们设计了一个空腔，并且给这个空腔中通入惰性气体(如氮气，也可以是空气)，并且要求惰性气体的压力要稍高于管道中工艺介质的最高压力。这样，控制阀在使用过程中，即使控制阀的聚四氟乙烯填料密封被破坏，由于气体的压力要稍高于管道中工艺介质的最高压力，强腐蚀、易挥发、有毒有害的气体也无法泄漏出来。为保证空腔中气体的压力稳定，防止气体沿阀杆上下串气，在空腔的下部，把聚四氟乙烯填料分割为上下两部分，在中间加一不锈钢隔垫，将氟橡胶O型密封圈嵌入不锈钢隔垫内，隔垫上下用聚四氟乙烯填料将其夹紧。空腔上部的阀盖中也嵌入氟橡胶O型密封圈，用螺栓将阀盖压紧。一般来讲，氟橡胶O型密封圈的使用寿命是比较长的，高达上百万次，只要氟橡胶O型密封圈的密封不被破坏，空腔中惰性气体压力会始终高于管道中工艺介质的最高压力，因此，这种控制阀阀杆的密封结构形式是非常可靠的，也很经济。

3、结束语

这种密封结构的控制阀在2001年成功地用于某公司硝化工序自动控制系统改造上，实现了硝化工序生产过程自动化，控制阀运行至今，从未发生过由于控制阀阀杆填料密封损坏而导致浓硝酸和浓硫酸混酸沿控制阀阀杆外泄事故。