盘根选型及应用

盘根选型及应用
盘根密封是一种传统的接触式密封，应用广泛。

其重要有点是结构简单，更换方便，而且成本廉价。

可用于旋转、往复、螺旋运动的密封，对于旋转运动的轴允许有轴向串动。

其不足之处是密封性能差，密封件不允许有径向的跳动，磨损大，使用寿命短。

针对于核电许多重要阀门设备必须保证一个运行周期下来没有泄漏，在盘根密封材料的选型和选材方面必需考虑到足够的余量，那么对目前我们所使用的盘根的性能及安装方式就要有清楚的了解。

第一节密封结构及原理
通常的盘根（填料）结构如下图所示，一个完整的密封组件由被密封轴、盘根盒、盘根、盘根压盖、压盖紧固螺栓组成。

盘根密封由
1－－盘根盒2――盘根3――盘根压盖
(a)盘根函结构图
(b)径向压力分布图
(c)介质压力分布图
盘根2装在盘根盒1内，通过盘根压盖3将盘根压紧在轴的表面。

由于轴的表面总有些粗糙，它与盘根只能是部分贴合，而部分未能接触从而就形成无数个迷宫。

当带压介质通过轴表面时，介质被多次节流，凭借这个“迷宫效应”而达到密封。

盘根对轴的压紧力由拧紧压盖螺栓产生。

由于盘根是弹塑性体，当受到轴向压紧后产生摩擦力致使压紧力沿轴向逐渐减小，同时所产生的径向压紧力使盘根紧贴轴的表面来阻止介质外漏。

径向力的分布如上图b所示，其外端向内端先是急剧递减后趋向平缓，介质压力的压力也如上图c所示，由内向外逐渐递减，当外端的介质压力为零时，则没有泄漏，当外端介质大于零时泄漏产生。

从上面的分析和图表明，盘根径向压紧力的分布与介质压力分布刚好相反，内端介质压力最大，应给予较大的密封力，而此时盘根的径向压紧力却是最小，感觉压紧力没有很好的发挥作用。

在实际的运用中，为获得好的密封性能，往往增加盘根的压紧力，但是摩擦力也就相应增大。

这样对于调节阀这种设备轴与盘根就会产生异常的磨损情况，最终导致盘根处泄漏。

为了改善设备的使用寿命，确保设备的功能，我们可以盘根的材料以及安装的方式、数量上去解决。

第二节盘根材料及形式
1．盘根材料的要求
制做盘根的材料种类很多，按材质分天然纤维、矿物纤维、合成纤维、陶瓷和金属纤维，随着新材料的不断出现，盘根合结构形式也在变化，无疑它也将促使盘根密封应用更为广泛，通过总结盘根的材料应具备如下特性：
（1）有一定的弹塑性。

当盘根受到轴向压紧时能产生较大径向压紧力以获得密封；当轴或设备有窜动时，能有一定的补偿能力。

（2）化学稳定性。

盘根应用的范围很广，不能被所腐蚀、溶涨，但是也不能污染介质；
（3）不渗透性。

介质对大部分纤维均有一些渗透，故要求盘根组织致密，为此盘根制做往往需要填充各种润滑剂和填充剂；
（4）材质本身润滑性好，摩擦系数小耐磨；
（5）耐温；
（6）拆装方便，制造简单，价格便宜。

2．盘根形式
（1）编制盘根
常用的盘根形式绞合最为简单，只要把几股纤维绞合在一起就可以做为盘根，主要用于低压及低参数的密封，对于高温及高压可加入金属丝绞合在一起。

编制盘根是盘根密封采用的主要填料方式，编制的方式有套层编制、穿心编制、发辩编制。

夹心编制等。

发辩编制在四角和中间没有芯绒，编制的产品断面呈方形，其特点是松散，如果断面尺寸大将会出现盘根外表面花纹粗糙，结构松弛，密封性差的特点。

套层编制盘根断面呈圆形，一般根据盘根规格决定套层。

断面尺寸大，所编制的层数就多。

这种盘根中间也没有芯绒。

便只好的盘根可根据要求在整形机上压制成方形。

套层盘根致密性好，密封性能强，但由于套层结构，层间没有纤维连接容易脱层，所以一般多用于静密封。

穿心编制盘根根据锭子数量通常分为12、16、18、23、30五种，在三个或四个轨道上运行编织而成，编织的断面呈方形，表面平整这种盘根弹性＆耐磨性好，强度高，致密性好，与轴接触面比发辩式大而均匀，纤维间隙小，所以密封性能好，一般这种结构的盘根磨损后也不会松散，使用的寿命较长。

夹心编织盘根是以橡胶或金属为芯子，纤维在外，一层套一层的编织，层数按需求而定，类似套层编织，编织端面呈圆形，致密性较好，强度高。

弯曲性能好，因此密封性也比较好，存在与套层同样的缺点就是表面磨损后容易脱层，不适用于往复的运动密封。

柔性石墨盘根。

这种盘根是由柔性石棉带一层层绕在芯模上然后压制而成，根据不同的使用要求，将采取不同的压制压力。

这种盘根致密、不渗透，自润滑
性好，有一定的弹性，能耐高温，使用广泛。

缺点是抗拉强度低。

（2）膨胀石墨盘根
膨胀盘根是一种新型的密封材料，干擦系数小。

膨胀石墨是由模具高压而成，在每个成型的产品中存在无数个小气泡，轴与盘根摩擦时产生热量会使小气泡膨胀，在总体积不变的条件下，小气泡内压增加，从而使盘根在轴向和径向又增加了附加压力，所以膨胀石墨环做盘根密封时，投运后密封效果更好，缺点是抗拉、抗剪切力较低。

3．目前阀门常用的盘根密封类型
（1）石棉类
阀门的广泛使用，对盘根的需求量十分可观，阀门盘根的价格为提显得比较突出，传统的石棉盘根由于价格低廉，故使用量仍很大。

石棉类可分为油浸石棉盘根、橡胶石棉盘根、陶瓷石棉纤维混编盘根、石棉浸渍聚四氟乙烯编织盘根、石棉－金属波形盘根。

油浸石棉盘根是用石棉线浸渍润滑油和石墨编制或扭制成的密封材料，适用于蒸汽、空气、工业用水、重质石油产品等介质。

在蒸汽中最高的使用温度不超过350℃，压力低于4.5MPa。

这种盘根有方形、圆形、圆形扭制三种，规格3～50mm。

根据需要可以在盘根里面夹各种金属丝。

橡胶石棉盘根是用石棉布、石棉线以橡胶为粘合剂卷制或编织而成的密封材料。

由于其外表涂有高碳石墨，所以呈现黑色。

适用于蒸汽、空气、水、盐类溶液等介质。

这种盘根最高的使用温度为达550℃，压力最高可达到8MPa。

规格也是3～50mm,可以加入金属编织，这样压力可以提高到20 MPa。

石棉材料的盘根，由于石棉中存在氯离子，所以对阀杆腐蚀问题突出，最近出现一种氯离子含量很低的盘根——H型缓蚀石棉盘根。

对阀杆的腐蚀有所减缓。

（2）合成树脂及合成纤维类
这类型的盘根有纯聚四氟乙烯环、聚四氟乙烯颗粒、YBF（耐焰碳纤维）、四氟纤维碳纤维混编盘根。

聚四氟乙烯盘根密封环。

将聚四氟乙烯经过车削成各种形状的阀门盘根密封环。

使用最多的是V型环，这是一种自紧闭式密封环，由上、中、下三只配对组成，在使用时只要稍加拧紧就能保持密封，不像编织盘根那样需不断的上紧。

聚四氟乙烯性能优越，但抗摩能力差，干摩擦系数比石墨高，补偿性比较差。

在许多需要往复运动的工况使用时易发生脱皮现象。

V型聚四氟乙烯盘根根据V型断面角度的大小，可制做低压、中压、高压三种型号，因三种类型的断面结构的不同，盘根与阀杆相接触的唇部宽度变化，对于相同尺寸的阀杆高中压型的唇部较窄而夹角较大，低压则相反。

纯聚四氟乙烯的使用温度≤150℃。

高中压的聚四氟乙烯盘根在低压时泄漏率较高，但随着压力的升高泄漏逐渐减小直至完全密封。

聚四氟乙烯颗粒盘根适用于应急使用，缺点是补偿性能差；YBF则适用于一些恶劣的环境，如高温高压、强腐蚀的地方；四氟纤维碳纤维混编盘根产品价格高不利广泛使用。

（3）膨胀石墨
对于蒸汽阀门特别是中、低压阀门特别适用。

这种盘根关键在与安装，如果安装仔细和正确，不仅密封效果好而且使用寿命长。

由于这种盘根摩擦系数和轴向压紧力小特别适用气动调节阀。

在高压的情况下，单独使用膨胀石墨环容易被挤坏，所以一般需与其它盘根混合使用。

如果与碳纤维混合使用（碳纤维放在石墨环的两端），根据试验结果，在15MPa。

800℃条件下阀杆往复一千多次后未发现泄漏。

在通常的设备上，阀杆是间断的运动，相隔的时间长短不同。

所以石墨与不锈钢阀杆容易发生电化学腐蚀。

所以在膨胀石墨盘根中一般要加入锌粉，利用阴极保护来解决阀杆腐蚀的问题。

第三节盘根安装技巧
盘根的组合与安装对密封的效果和使用寿命影响较大。

往往出现相同材料、相同结构、相同设备，使用效果差异很大的情况，许多原因都与安装相关。

所以要十分注意安装技术。

一．一般编织盘根安装注意事项及要点：
1．清理盘根函。

对于盘根函内盘根必须全部清除，阀杆或轴表面要光滑，不许有毛刺和划痕。

在掏盘根时要注意不要损伤阀杆或轴。

非紧急情况下一般要求掏出盘根盒内全部盘根。

2．检查阀杆。

对已掏完盘根的阀杆必须对阀杆表面检查，不能有毛刺。

划痕以及大的坑点等缺陷。

对于有连轴器的阀杆（如电动阀、气动调节阀）必须检查阀杆与阀门密封件（阀瓣、阀笼）的垂直度以及阀杆与盘根盒的同心度。

对于一些重要的阀门如修复过的阀杆要检查圆度。

3．检查盘根材质是否与要求符合，断面尺寸与盘根盒和阀杆轴向尺寸是否匹配。

如果尺寸偏小或偏大可以用圆棒滚压改变盘根尺寸，避免用手锤敲打而是盘根受力不均匀，影响密封效果。

4．盘根剪裁。

沿轴或阀杆周长，用锋利刀口将盘根45°角斜口切断。

最好的办法就是找一个相同直径将盘根绕在上面切割，然后环口相接。

5．预压成型。

这步主要针对高压密封盘根，必须经过预压成型。

经过预压的盘根径向压力分布均匀，密封效果较好。

需要注意的是预压后的盘根要及时安装在盘根盒，以免盘根恢复弹性。

6．填装。

填装时要一个一个安装，每安装一个要压紧，断口要错开。

可以在安装时在阀杆上涂润滑剂。

如果是几种盘根混合安装，硬的要安装在两头。

7．盘根安装完后，要对称均匀压紧盘根压盖，不许有偏斜。

紧过后要手动旋动阀杆以防紧力过大抱死阀杆。

8．安装过程中盘根不要乱放，以避免表面粘污到异物，损坏阀杆或轴。

9．设备投运后要对检修的设备巡检，如发现有漏的及时消除避免泄漏扩大。

针对于膨胀石墨盘根需要强调，盘根的尺寸一定要与阀杆匹配；石墨盘根的柔性和弹性较差，不能任意变形。

对于有切口的只能轴向扭转套在轴上，安装时切口同样要错开。

第三节现场设备案例分析
核电的设备运行状况要求比一般常规的工业要求高，对于许多设备要求在一个运行周期连续运转工作。

不许有泄漏，也没条件停下来维修或功能鉴定。

在这些的条件限制下，设备的可用率要求特别高。

下面就以除氧器水位控制阀CEX025VL和CFIO011FI反冲洗滤网所出现的盘根泄漏进行分析，提出一些改进措施。

一．背景
一/二核除氧器水位控制阀CEX02/0265VL阀门在投运后不就就出现盘根泄漏。

这些阀门对开关总行程和开关时间都有明确的规定和限制，而且在投运后不能隔离，不能做功能再鉴定。

运行期间阀门根据除氧器水位要求随时调节阀门的开度，阀杆与盘根也就一直处于摩擦。

长年累月盘根或阀杆不可避免的摩损，最终导致盘根处泄漏。

二核CFI反冲洗滤网的盘根也是在运行一段时间后出现泄漏，每次紧固滤网盘根后不久时间盘根回泄漏更严重。

从现场的情况看，盘根的过渡磨损也是泄漏的主要原因之一。

二．原因分析
从运行状况分，除氧器水位控制发阀杆与盘根摩擦属于往返运动；CFI反冲洗滤网的轴与盘根则属于旋转摩擦。

说明在设备在线期间存在磨损是必然的。

设备泄漏后，现场检查发现在除氧器水位调节阀的阀杆上有聚四氟乙烯盘根细屑。

呈薄片状。

来源于聚四氟乙烯盘根长期摩擦后起皮后脱落。

说明阀门长期调节水位时阀杆与盘根有磨损。

在磨损后阀杆与盘根之间出现间隙，从而导致阀门盘根处泄漏。

在多次巡检时，发现CFI滤网盘根处出现泄漏。

泄漏出来的水十分浑浊，颜色很黑。

当适当紧固盘根压盖，但在短短的几天后。

盘根泄漏比之前泄漏更大。

而且多次在盘根处出现喷射状的泄漏。

现场现象直接反馈出盘根磨损严重。

进一步对滤网解体检查，发现滤网的轴表面镀层出现磨损并脱落。

从表面现象来看只会认为是轴的镀层质量不好，硬度、表面粗糙度都有问题或者是镀层厚度不够。

但是，从滤网的盘根盒尺寸和结构来看，由于滤网的轴与盘根盒之间的间隙太大。

而且盘根盒的底部不是平面。

这样。

在盘根紧固后，盘根的受力是单边受力，对轴的表面接触不是整个的盘根端面，见下面简图：
从图中不难看出，这样的盘根盒设计是有缺陷的。

盘根盒的底部是一个斜面；而且轴与盘根盒之间的间隙太大。

当拧紧盘根压盖，那么盘根与轴接触的一边受的压盖紧力明显会比另一边受的压盖紧力小，而且盘根的边与轴不能完好的接触，不能很好的对轴进行包裹。

当轴转动时盘根与轴的摩擦主要在划红线的位置。

这样的结果只是只会加速对盘根和轴的磨损。

当盘根磨损的初期阶段，由于与轴接触的地方很窄，接触的地方也是轴磨最容易摩损的地方。

也可以说对轴的磨损主要也在这个阶段。

从解体检查滤网的轴磨损的形状也证实与分析的情况相符。

初期表现的是盘根处出现小的泄漏。

当适当紧固盘根后，盘根处的初期感觉泄漏变小。

但实际上当紧固盘根压盖后，是加速了轴与盘根的磨损。

由于过渡的磨损，这种编织盘根磨损后结构松弛的缺点便完全体现出来。

磨损的盘根出现松弛泄漏也就会变大。

最终就出现了紧固没多长时间比原来泄漏还大的现象。

三．分析结果及处理措施
除氧器水位调节阀
从上面的分析结果来看，除氧器水位调节阀在盘根盒的设计结构不存在缺陷，但是对核电的设备运行状态的要求来看，盘根的选型存在一定的失误。

虽说现在聚四氟乙烯的盘根在阀门运行期间不会出现崩溃式的泄漏，也不会出现阀门不能调节的后果。

但是由于该阀处的位置和重要性，在运行一段时间后当盘根处出现泄漏影响电站的形象。

所以建议对该阀盘根密封进行下面的改进：1．短期可以更换阀门的盘根材料，改为带石墨环的盘根；
2．长期建议加深盘根盒的深度，增加盘根数量从而加强盘根的密封能力。

3．对盘根的安装严格要求执行，在大修时对阀杆与阀赛的垂直度检查；对阀杆与盘根盒的同心度以及与气动头驱动杆的同心度检查。

CFI反冲洗滤网
综合分析，二核CFI反冲洗滤网在盘根盒结构的设计存在缺陷。

目前的结构是导致盘根泄漏和轴磨损的主要原因。

长期解决过滤器盘根泄漏应该改变盘根盒的结构，盘根盒的设计应根据轴的运动方式、工况条件（介质、温度、压力、速度）和对密封的要求来决定盘根盒结构。

CFI反冲洗滤网的温度、旋转速度不高，设计时可以忽略不计。

建议对反冲洗滤网的改进措施：
1．盘根盒底部斜面结构改为平面，减小与轴之间的间隙；
3．对盘根圈数重新进行选择，也可根据轴的运动方式和介质的压力关系选
4．盘根盒的尺寸可根据下面的公式来决定。

无液环L=Zb 有液环L=Zb+2b
L——盘根盒盘根总高度
Z——盘根圈数
b——盘根截面边长
上面的分析仅仅时个人的观点，不对之处请于指正，谢谢！
编写人：邓平。