赵 琦

（华陆工程科技有限责任公司 陕西西安，710065)

摘要:精细化工装置由于其高危的介质特性和特殊的操作要求，对切断阀的内漏和外漏要求较高。衬套旋塞阀具有的衬套密封、顶密封和三级顶密封结构，能有效避免阀门泄露，可满足ISO15848-2-2006标准所制定的B级甚至A级微泄漏阀门要求，同传统的球阀相比具有明显优势，可靠性更高。通过实验数据对常用氟塑料材质在强度、耐温性、抗形变能力方面进行对比分析，得出PFA随着温度升高其强度更高，且具有自润滑性更好，摩擦系数小等优点，可作为氟塑料衬套材料的首选;当过程介质含有杂质，衬套也可选用RPTFE材质。

关键词:衬套旋塞阀;精细化工;氟塑料;阀门泄露;球阀

引言

随着化学工业的发展，人类对自然资源的利用逐步深入，正在由初级加工向深加工，由生产大批量基础原材料向生产小批量多品种的专用产品发展的精细化工道路上日益前行。精细化工在现代化工中的地位举足轻重，尤其是在倡导“绿色化工”的今天发展尤为迅速。

精细化工往往是有机化工，不可避免地伴随着过程介质具有高毒(如苯、氯乙烯、光气等)、强腐蚀(如盐酸、硫酸、醋酸等)、重污染(如乙烯、丙烯等)等危害性。由于产量小且品质要求高，生产过程中经常需要精量控制和程序控制。而切断阀在化工装置中充当着保障装置安全、防止介质泄漏、控制过程品质、界定过程步骤的重要环节，在精细化工装置的生产及安全方面起着决定性作用。基于精细化工特点，阀门的微量泄漏即会对整个装置的成品品质甚至装置安全带来严重影响。因此精细化工装置切断阀的选型和设计尤为重要。衬套旋塞阀得益于其特有的结构，能够有效地防比阀门泄漏，且体积小重量轻，被越来越多地应用在精细化工装置中。

1 阀门泄露及其原因

阀门泄漏可以分为外漏和内漏两种类型。阀门的内漏与外漏是由于使用过程中受到腐蚀、冲蚀、擦伤、振动等引起的网。阀门外漏是指流体渗漏到阀门的外面，而内漏则是指阀门密封关闭不严，阀门关闭后仍有部分流体在管道中流动。两种泄漏现象不同，但都与阀门本身的质量、结构和使用操作有关。

1.1 阀门外漏

在精细化工装置中，一旦发生阀门外漏，高温、高压、高腐、高毒等高危性物质会散发到环境中，势必对装置生产及巡检人员的人身安全运行带来极大的危害。

阀门的外漏的原因主要有:(1)填料漏，通常填料的泄漏     是由于装置存在高温高压的工况，介质通过阀芯与阀座之间空腔冲破填料造成泄漏。(2)阀体漏，一般情况是由于阀门的阀体有铸造或锻造缺陷。(3)阀体和阀盖联接处漏，一般有下面几个原因:①联接处螺栓出现松动。②联接处密封垫片损伤。③本身联接螺栓设计强度不够。

1.2 阀门内漏

在精细化工装置安全运行的前提下，高纯度或者高配比精度的产品是企业所追求的最终目标。然而在此过程阀门一旦发生内漏，势必对下游管道中的介质成分造成影响，无法实现精准的生产配比。对于切断类阀门而言，其主要的功能就是接通或关闭流体，出现内漏也就失去了其意义。以最常见的切断类阀门，球阀来说，造成阀门内漏的主要原因有:

（1)密封面划伤，造成内漏。（2 )阀座锈死，内部弹簧不起作用，致使阀座和球面不能贴合，引起内漏。(3)注脂流道被堵塞，密封脂注入后进入阀腔。(4)润滑脂注入量不足，密封面因缺少润滑而加快磨损导致内漏。

由此可见球阀由于其结构上的限制，容易产生内漏且修复困难耗时耗力。除了上文提到的安全和经济效益因素，对于精细化工这种往往具有小批量间歇性特点的生产装置来说也不允许切断阀产生内漏。合理选择填料和阀体结构设计可减少或避免阀门泄漏，这正是衬套旋塞阀的优势所在。

2 衬套旋塞阀

2.1 旋塞阀及其发展

旋塞阀是指塞子可绕其轴线旋转而启闭通道的阀门。根据其密封方式不同，旋塞阀主要分为:油封旋塞阀、金属密封旋塞阀和衬套旋塞阀。油封旋塞阀是20世纪初瑞典一位工程师提出的，1921年由Audco. Co开始生产。但是其对润滑油有严格要求，难以适应各种工艺要求且需定期加注，无法满足当今化学工业的复杂操作要求。金属密封旋塞阀受机加工精度的制约不易达到严格的密封效果，但是在高温高压场合金属密封旋塞阀仍是不可代替的产品。而随着上世纪30年代氟塑料的发现到下半叶氟塑料的迅速发展，70年代初Audco. Co及Tefline. Co开始对油封旋塞阀进行改进，采用PTFE材料镶衬在阀体内，这样就能有效防比在衬套与阀体间产生泄漏，衬套旋塞阀面世并得益于其优良的特性，迅速在阀门市场占有一席之地。

2.2 衬套旋塞阀

衬套旋塞阀指在阀体与旋塞阀芯之间增加了一层通常由氟塑料制成的衬套的旋塞阀。本文主要以全球最大且其结构较为直观和典型的美国XOMOX厂家生产的衬套旋塞阀为例，介绍衬套旋塞阀的特点。其结构如图1，图2所示。

图1 衬套旋塞阀结构剖面图

图2 衬套旋塞阀结构特点图

由此可见衬套旋塞阀最主要的五大部件分别是:阀体、旋塞、衬套、顶密封、阀盖。各个部件之间相互配合加上阀门厂商特殊的结构设计，使其衬套旋塞阀的标准型产品具有两级密封，选配最多可形成三级密封效果，有效地减少和避免了阀门的内漏和外漏。

2.2.1 第一级密封

XOMOX衬套旋塞阀的第一级密封来自旋塞的表面、聚四氟乙烯衬套、阀体三者构成的完整密封系统。惰性的氟塑料衬套完全包围旋塞，衬套在旋塞的进出口之间形成了面积较大的环形密封面，由此无论旋塞位于开、关、旋转的任意状态均能保证与密封面的接触。图3为旋塞、衬套、阀体的组装结构图。

图3 衬套旋塞阀组装结构图

阀体内孔、衬套和旋塞有2°的锥角，衬套压入阀体内孔，然后旋塞再压入衬套中，阀体和旋塞相互作用，共同挤压衬套，从而形成“楔形”密封力，可保证三者紧密地贴合在一起，氟塑料衬套的填充使阀体和旋塞之间无空腔且严密封，最大限度地防止了介质外漏。同时氟塑料的优秀的自润滑作用可有效避免传统切断阀因润滑脂消耗导致润滑不足带来的内漏问题。

阀体上一体铸造的360°唇边环绕阀孔的周边。当旋塞在有弹性的聚四氟乙烯衬套内旋转时，唇边能刮去旋塞上的杂质或者虱附物，即有自清洁作用，可有效防比杂质刮划密封面造成的内漏问题。360°唇边同时也保护衬套免受侵蚀，防止冷流变形和避免衬套旋转。

高压密封棱和360°的顶部和底部密封棱可防比介质从上面和下面泄漏，顶、底棱之间垂直排列4个密封棱，保持对衬套的纵向挤压，更好地实现旋塞与衬套的密封。

第一级密封可防止阀门产生内漏并基本阻绝了阀门的外漏现象，是衬套旋塞阀最重要、最可靠、最根本的密封措施。

2.2.2 第二级密封

一旦第一级密封的衬套损坏，有介质上窜至旋塞顶部的阀杆，将会遇到XOMOX衬套旋塞阀采取的第二级密封措施，即顶密封设计。如图4所示，顶密封由PTFE楔形环、PTFE反向唇边膜片、304SS金属膜片、304SS推力环、304SS静电释放器组成。此结构具有三处密封点。

图4 顶密封结构

(1) PTFE反向唇边膜片与阀体沉孔平台配合的密封点。

(2)推力环将来自阀盖调整螺栓的力施加在PTFE楔形环和反向唇边，形成旋塞轴肩上和旋塞阀杆的密封点。(3)反向唇边膜片形成介质压力自密封，即内部压力越大密封越严。如此三层密封结构完全封死旋塞至阀盖之间的空间，阻绝介质外泄。不锈钢静电释放器提供旋塞到管道的接地通道，静电沿旋塞、静电释放器、调整螺栓、阀盖、阀体到管道实现静电释放。标准阀型的二级密封结构可按照目前逸散性排放的最高标准:《工业阀门微泄漏测量、试验和鉴定程序第二部分:阀门产品验收试验》ISO15848-2-2006，达到50~100 ppm。

XOMOX衬套旋塞阀可选装三级顶密封结构，在阀盖处增加石墨密封垫进一步防止介质外泄，尤其是能起到加强防火功能的作用，在此不再赘述。三级顶密封结构的泄漏量按ISO15848-2-2006标准可达到≤50ppm。

3 氟塑料衬套的选择

衬套旋塞阀使用效果的好坏关键在于衬套，是防止阀门内漏和外漏的核心部件。目前旋塞阀的衬套材料基本采用氟塑料。可供选择的材料通常有聚四氟乙烯(PTFE、增强型聚四氟乙烯(RPTFE、四氟乙烯/全氟(正)丙基乙烯基醚共聚物(PFA，俗称可熔性PTFE) ,Tufline-475等。

氟塑料材质的选择主要遵循以下原则:(1)材料的实用性原则;（2 )材料的加工工艺性原则;（3)材料的经济性原则。氟塑料通常具有高度的化学稳定性、良好的热稳定性、良好的减磨性、优异的自润滑性，尤其以最常见的PTFE为代表。

但由于普通的PTFE制品耐磨性、耐蠕变性较差，通常加入各种填料进行改良，即RPTFE。对于不同的使用要求可选择不同的填料，常见的如填充玻璃纤维可耐磨蚀，填充石墨可耐腐蚀，填充碳纤维可耐高温耐腐蚀等。

PFA是一种全氟烷氧基聚合物，能解决常规热固性塑料难以成型加工的缺点，并且大大延仲了其使用温度限制。与PTFE相比具有更高的热熔点温度以及更好的热熔稳定性。

在高温工况下，PFA材料的强度和刚度与PTFE材料相同甚至更好，但其抗蠕变的性能在较宽的温度范围内较PTFE材料更为优异，如图5所示。若作为衬里材料PFA由于其可熔性，可采用模铸成型，而PTFE只能采用吹塑成型，其作为衬里更容易脱落，此部分不在本文讨论范围内。

图5 3种材料的温度和特定负载变形对比表

PFA与PTFE或增强PTFE相比另一个突出优点是其表面光滑，自润滑能力强。PFA基复合物的摩擦系数比PTFE低10% ~30%摩擦系数带来低扭矩，不仅可以减少在阀门执行机构上的投入，也可大大降低阀门衬套的磨损，延长阀门的使用寿命。

Tufline-475作为一种新型氟塑料无论在何种压力下，其耐温性能大大优于PTFE甚至RPTFE。通过实验将三者的耐温性能做了如图6的对比。

图6 WCB阀体中150Lb和300Lb压力下耐温性比较

图7抗形变能力比较

在抗形变能力上，Tufline - 475与渗碳的PTFE近似。渗碳的PTFE或玻纤的PTFE能大幅度提高抗形变能力，但材料的纯度及整体性能会受损害。当材料用作密封时，材料中内含的添加物容易受到工艺介质的影响，反而消减了材料的密封性能回。其抗形变能力对比如图7所示。但出于经济性因素考虑，Tufline-475通常作不作为衬套的首选材料。

4 衬套旋塞阀与球阀的对比优势

通过上文的介绍可以看出，衬套旋塞阀作为精细化工中高毒性、高腐蚀、高挥发性、含杂质介质的切断阀首选，与传统的球阀相比具有相当大的优势:

(1)采用氟塑料做衬套，使阀门具有的自润滑作用，无需外界添加润滑剂，可避免因润滑剂而带来的介质受到污染的问题。而球阀为保证正常运行必须定期添加润滑剂;

(2)衬套在阀体和旋塞之间的紧密填充，使其无死腔，完全杜绝工艺介质的积存。而所有球阀在阀座之间都存在固有的死腔，若此区域积存介质会造成阀门扭矩增大，严重者可能造成阀杆扭曲甚至折断;

(3)衬套旋塞阀由于旋塞和阀体通过衬套进行密封，具有较大的面密封，少量刮划不会影响面密封的密封效果，使用寿命更氏更可靠。而软密封球阀依靠阀座自身的塑性变形与球芯实现密封，阀座密封面仅为内环一圈，密封面狭窄，一旦有轻微刮伤就会造成阀门内漏;

(4) XOMOX的衬套旋塞阀可通过旋转阀盖螺母实现密封效果的在线调整。如此降低了工艺停车的风险，并且节省了阀门维修和更换时间。

5 结束语

精细化工装置与传统化工装置相比，对切断阀的内漏和外漏的要求更严苛，通常需要阀门达到微泄漏等级A级(泄漏量≤50mI/m³ )或B级(50mI /m³﹤泄漏量≤100ml/m³)要求。而衬套旋塞阀得益于其二级甚至三级的密封结构，完全可达到满足甚至超出此要求，并且具备很好的耐颗粒、自清洁的优势，可完全胜任在精细化工苛刻工况下切断阀的角色。在衬套材质的选择上笔者更倾向于选用PFA或根据耐磨性工况要求选用RPTFE材料。随着氟塑料技术的飞速发展，氟塑料产品的日趋成熟，相信衬套旋塞阀会有更广阔的应用空间。