核安全级节流阀阀杆石墨填料密封性能试验研究

节流阀是核电、石油、化工等领域常用的调节类阀门之一，其阀杆相对填料做直线运动，改变阀瓣与阀座之间的环形流通面积，通过局部阻力变化实现流量调节。部分核电用节流阀使用工况复杂，包括内部介质温度高、压力高、操作频繁以及环境振动大等特性，阀门填料的蠕变松弛、摩擦磨损、介质渗透以及预紧力衰减等因素叠加作用会增加填料外泄漏风险，影响系统和人员安全。

目前，阀门阀杆填料密封研究方向主要包括失效机理、材料改进与复合增强、结构优化等方面。柔性石墨材料由于其优良的压缩回弹性能、耐高温和耐辐照性能，广泛应用于核电密封领域。蔡澳等研究了石墨密度、高度、级数、径向间隙及摩擦系数等对阀门阀杆密封性能的影响；彭川桃等研究了不同截面形状石墨填料对阀门阀杆启动摩擦力和滑动摩擦力的影响；励行根等探讨了轴向应力、石墨环密度、截面形状等对采用柔性石墨/编织盘根组合填料的阀门阀杆密封的影响机制。

某核电回路系统DN32手动节流阀（DN为阀门的公称直径，单位为mm）填料多次泄漏，其主要原因是原填料材料为聚四氟乙烯复合纤维，材质柔软且在多次升降温和升降压后产生蠕变松弛效应，填料的回弹量不足，导致密封性能下降，因此，有必要开展相关研究来提升此类阀门阀杆密封的可靠性。本文基于DN32手动节流阀填料函结构尺寸，选择石墨填料为阀杆密封的主体材料，完成了两种填料密封方案设计，通过填料密封性能试验对比和整机试验验证，证明了填料改进方案的可靠性和环境适应性，满足核级手动节流阀的使用工况，为高温高压、阀杆做直线运动类阀门的填料设计选型提供参考和建议。

2.1 手动节流阀参数

本文选取的手动节流阀主要设计参数为：设计温度为350 ℃，设计压力为17.2 MPa，公称通径为DN32，阀杆直径为Φ28 mm。

2.2  填料类型及结构

本文选用的填料密封主体材料为柔性石墨。石墨的化学稳定性好，在辐照、高温高压等恶劣环境中仍具有良好的稳定性和抗渗透性；同时，其自身结构具有良好的润滑性和成型可塑性，是核级设备密封重要材料之一。石墨材料作为阀门阀杆的密封材料，能够充分满足阀杆频繁动作对其摩擦性能、运行介质和环境适应性的要求。

针对高温高压手动节流阀的阀杆密封，以柔性石墨为密封基材，在研究阶段提出以下两种结构选型：

（1）V型组合填料

该组合填料由上下柔性石墨编织盘根和中间V型柔性石墨环组成，结构如图1所示。

图1  V型组合填料

（2）石墨编织填料

石墨编织填料是由高纯度柔性石墨编织不锈钢丝，再经模压制成，结构如图2所示。由于每一圈石墨环都有金属网和柔性石墨，因此该填料组在使用时最大限度地阻止了石墨被挤出，且石墨不会粘连在阀杆处。柔性石墨主要性能参数见表1。

图2  石墨编织填料

表1  石墨材料性能参数

2.3 填料结构设计

填料的结构设计主要包括组合形式设计以及尺寸设计，填料尺寸主要包括填料高度和填料宽度，尺寸选取主要根据设计压力、密封口径、使用温度等。按照JB/T 1712-2008《阀门零部件 填料和填料垫》，评估原设计中填料密封面的宽度8 mm基本合理，可按照填料函接口尺寸不更改的原则进行改进设计。

填料的总高度也是影响填料密封性的关键因素，一般与介质工作压力呈正相关。但填料的深度不是越大越好，当填料层数过多时，由于受到侧向摩擦力的作用，轴向载荷传递效率急速下降，下部的填料不易被压紧，不仅起不到密封作用，反而会在内压的反向作用力下导致整套填料二次压缩，从而产生泄漏。为减少填料对阀杆的摩擦和磨损，提高填料的密封性能，实际使用时通常选取5~7个填料环。

根据V型组合填料和石墨编织填料的结构特点，在填料函内径、阀杆直径和填料组总高保持一致的前提下，对两种填料分别进行了层数设计。V型组合填料由上下编织盘根和中间V型柔性石墨环组成，单层V型石墨环轴向高度较大且其密封机理主要依赖V型环在轴向压缩作用下形成较高的径向比压，因此采用5层结构即可满足总高度和预紧要求。石墨编织填料单层轴向高度较小，为保证在相同填料函有效深度内形成足够的密封接触长度和轴向载荷传递路径，采用6层结构。

填料的初始密封比压由填料压盖的压紧力提供，其作用原理为：填料压盖将压盖螺栓的预紧力传递至填料上表面，填料内产生轴向压力，由于存在摩擦力，此轴向压力随填料的高度变化，填料受轴向挤压和填料函限位产生了径向压力，并填补其与阀杆和填料函之间的微小缝隙，径向压力同样随高度变化。压紧填料时，最下方的填料圈被压紧在阀杆上，进而产生与介质压力相等的力，确保介质不会将填料挤出或从阀杆与填料之间渗出。经计算，填料压盖施加至V型组合填料和石墨编织填料的预紧轴向压缩载荷分别为30~40 MPa、40~45 MPa，以进一步计算填料压盖所需的预紧力矩。

基于节流阀现有结构尺寸，本文完成了DN32手动节流阀的填料结构设计，密封结构由阀门阀杆、填料组、填料压套、填料压盖、螺栓组件等组成。填料函外径和阀杆处粗糙度维持原始状态，分别为Ra6.3 µm、Ra0.8 µm。DN32节流阀阀杆填料结构示意图如图3所示，主要尺寸为：填料函内径设计为Φ44 mm，阀杆直径设计为Φ28 mm，填料函有效深度为50 mm（高出部分采用金属环垫垫高），填料组总高为48 mm，填料采用两颗M16的螺栓进行预紧。

图3  DN32节流阀阀杆填料结构示意图

DN32手动节流阀阀杆填料密封部件比选试验包括压缩回弹试验、氦气密封试验、摩擦性能试验、水压密封试验、载荷传递试验。

3.1 压缩回弹试验

密封填料压缩回弹试验系统见图4，试验时将装有密封填料的试验工装放置在试验机台面上，试验机根据一定的压缩速率对密封填料进行压缩，记录整个压缩、释放过程中填料高度的变化量与载荷的对应关系，再根据所得数据计算填料的压缩率和回弹率。

1.控制系统  2.试验机压板  3.试验工装  4.试验机台面  5.位移传感器  6.外挡环  7.安装基础

图4  密封填料压缩回弹试验系统

压缩率计算公式为：

回弹率计算公式为：

式中  C——压缩率，%

R——回弹率，%

T₁——试样初始厚度，mm

ΔT₁——初载荷下的变形量，mm

ΔT₂——总载荷下的变形量，mm

ΔT₃——卸载至初载后的变形量，mm

两种填料部件压缩回弹试验数据如表2所示，在相同轴向压缩载荷（40 MPa）条件下，V型组合填料和石墨编织填料的平均压缩量分别为6.32 mm、4.84 mm；V型组合填料和石墨编织填料的平均回弹量分别为2.83 mm、1.91 mm。V型组合填料相比石墨编织填料，其压缩率和回弹率更高，主要原因为石墨编织填料带有金属丝增强，相对V型组合填料密度较高。从压缩回弹的一致性角度看，V型组合填料的压缩量和回弹量变化相对较大，而石墨编织填料表现相对稳定。

表2  两种填料部件压缩回弹试验数据

3.2 氦气密封与摩擦性能试验

氦气密封与摩擦性能试验的装置如图5所示。试验时，将密封填料安装在试验装置中，并根据填料规格对填料压盖的螺栓进行预紧。预紧完成后，向试验装置阀体模拟件内通入0.6 MPa氦气。随后安装检漏外罩，并将其与氦质谱检漏仪连接。开启试验机运动驱动系统，进行摩擦力、泄漏率的测试，分别记录阀杆动作一定次数后填料的摩擦力和泄漏率；同时，对填料压盖螺栓的剩余力矩进行测量，根据剩余力矩计算不同密封填料在不同循环次数时的螺栓松弛程度。

图5  氦气密封与摩擦性能试验装置

两种填料部件氦气密封与摩擦性能试验数据如表3所示。泄漏率方面，两种形式的密封填料在0.6 MPa内压下，经历500次动作循环后，泄漏率均可保证在10^-7 Pa·m³/s量级，V型组合填料泄漏率相对更小。

表3  两种填料部件氦气密封与摩擦性能试数据

注：试验用氦质谱仪本底泄漏率为1.0×10^-7 Pa·m³/s

摩擦力随动作次数变化趋势如图6所示，两种填料与阀杆的摩擦力随着阀杆运动次数的增加而升高，但石墨编织填料的递增较为缓慢，幅度较V型填料小；500次动作循环后，摩擦力由初始的1.09~1.17 kN提升至1.45~1.54 kN。分析其原因为：组合填料的中间层V型石墨在受到轴向力作用后，相比石墨编织填料有更大的侧压系数，在相同压力条件下与阀杆的接触应力更大，形成了局部高接触应力环形接触面；动作时，组合填料中间层石墨与阀杆之间接触面磨损量和粗糙度增大，从而导致摩擦力增加。

图6  两种填料摩擦力随动作次数变化趋势

3.3 水压密封试验

水压密封性能试验直接采用氦气密封与摩擦性能试验装置，将氦气源更换为水压泵，试验时向试验装置内通入水，并增压至试验压力，观察密封填料的泄漏情况。水压试验期间均无泄漏发生。

3.4 载荷传递试验

如图7所示，在试验工装内放置密封填料，填料放置时在最底层放一片压力胶片，随后依次向上，每两层填料之间放一片压力胶片，最上层可不放置压力胶片。利用试验机将填料进行压缩，根据试验机的压缩载荷和填料层间的载荷传递，按照上下顺序，依次取出密封填料之间的压力胶片，采用专用检测仪进行数据采集，记录石墨环从上至下每层填料间的压力值，两种填料载荷传递效率试验数据见表4。

由表4可知，两种填料的轴向压缩载荷从上至下呈递减趋势。在相同压缩载荷（40 MPa）下，V型组合填料的载荷传递效率为30.8%~31.3%，石墨编织填料的载荷传递效率为34.5%~36.3%，石墨编织填料的载荷传递效率更高。

图7  轴向载荷传递试验工装示意图

表4  两种填料载荷传递效率

3.5 本章小结

通过开展压缩回弹试验、氦气密封试验、摩擦性能试验、水压密封试验、载荷传递试验等部件的比选试验，得出V型组合填料在压缩回弹性能、泄漏率方面优于石墨编织填料，但石墨编织填料摩擦性能较稳定，且载荷传递效率更高，说明其在阀杆频繁往复动作工况下更有利于维持预紧载荷的有效传递，并降低了长期使用过程中因摩擦波动、局部松弛所引起的密封性能衰减。

对于DN32手动节流阀而言，阀杆相对填料做直线运动，且服役过程中需经历多次启闭、升降温、升降压及振动等复合工况，因此填料不仅需要具备良好的初始密封能力，还应具备较好的动态摩擦稳定性、载荷保持能力和长期服役可靠性。综合上述因素，石墨编织填料虽在氦气密封性方面略低于V型组合填料，但其在动态服役适应性和长期可靠性方面性能更优，更符合该类阀门的工程应用要求。因此，最终选用石墨编织填料开展DN32手动节流阀整机模拟工况试验。

石墨编织填料安装于DN32手动节流阀填料函后，进行水压强度、动作循环（全开-全关-全开为一次动作循环，下同）、升降温、升降压循环与振动试验。

4.1 水压强度试验

试验时，将密封填料安装在阀门阀杆填料处。预紧完成后，阀门与试验装置连接，随后向阀门中补水增压，压力分别为13.8 MPa、17.2 MPa、25.8 MPa，前两级保压10 min，25.8 MPa时保压30 min。保压完成后逐级降压，压力分别为17.2 MPa、13.8 MPa，每级保压10 min，最后降至常压状态。填料在水压强度试验的各个阶段均无泄漏及其他异常情况。

水压试验后，经检测，用于安装填料的2颗螺栓的安装力矩由初始状态的70 N·m分别降低至54 N·m和58 N·m，说明填料在经历水压强度试验后，整个填料组件存在一定量的松弛。因此，在使用期间应考虑对填料压盖螺栓提供一定的预紧力补偿或定期预紧。

4.2 动作循环试验

水压强度试验完成后，保持阀门填料压盖螺栓状态不变，在动作循环试验装置上操作节流阀完成累积3000次动作循环试验，试验装置如图8所示，试验时阀门内部介质为13.8 MPa的常温水。期间每300次动作后，测量填料压盖预紧螺栓剩余预紧力矩、手轮操作力矩以及阀杆填料处氦气泄漏率（0.6 MPa内压），上述参数随动作循环次数的变化趋势如图9所示。

图8  DN32手动节流阀整机动作循环试验装置

(a)

(b)

(c)

(a)填料压盖螺栓剩余预紧力  (b)手轮操作力矩  (c)氦气泄漏率

图9  动作循环试验结果

试验结果表明，试验期间阀门填料均无水介质泄漏，氦气泄漏率稳定在4.59~5.54 ppm之间，密封性能良好。压盖处螺栓剩余力矩呈下降趋势，从56 N∙m逐渐下降至32 N∙m，但仍满足密封要求。在动作循环900次范围内，手轮操作力矩随动作循环次数呈下降趋势，从17.6 N∙m降低至15.1 N∙m；在后续900~3000次动作循环后，操作力矩基本不变，维持在14.7~15.2 N∙m之间。

4.3  升降温与升降压循环试验

动作循环试验后，又进行了10次升降温、升降压循环试验。试验方法为：将阀门内部介质升温升压至温度约300 ℃、压力约13.8 MPa后，保温15 min，通过注水缓慢降温降压至60 ℃及常压。试验期间填料无泄漏及其他异常情况。

4.4  振动试验

在升降温循环试验后，进行了DN32整机阀门的振动试验。采用正弦方法，将阀门固定至振动试验台后，首先设定频率为1~13.2 Hz，扫频速率为1倍频程/分钟，位移载荷为1.0 mm，沿三个正交轴向进行5次功能试验；接着设定频率为13.2~24 Hz，加速度载荷为7 m/s²，进行5次功能试验。其次，在内压15 MPa下，设定频率为1~24 Hz，位移为1.0 mm，加速度为7 m/s²，进行6 h耐久试验（每个轴向2 h）。最后，再次进行各频率范围的功能性试验。试验期间定期观察阀门填料密封泄漏情况，试验后检查阀门动作灵活性、异常声响和泄漏情况。振动试验结束后，需进行22.8 MPa水压试验。

试验结果表明，在振动试验期间，阀门动作正常，无泄漏。振动试验后，压盖螺栓剩余预紧力矩为25.2 N∙m，水压试验亦无泄漏。

针对DN32高温高压手动节流阀，本文选取V型组合填料和石墨编织填料进行了样件比选试验，并优选石墨编织填料随DN32手动节流阀完成了模拟工况试验，主要结论如下：

（1）V型组合填料在压缩回弹性能、泄漏率方面优于石墨编织填料。在相同轴向压缩载荷（40 MPa）条件下，V型组合填料和石墨编织填料的平均压缩量分别为6.32 mm、4.84 mm，平均回弹量分别为2.83 mm、1.91 mm。500次动作循环后，V型组合填料泄漏率范围为2.6×10^-7~4.5×10^-7 Pa∙m³/s，石墨编织填料泄漏率范围为4.9×10-7~5.3×10^-7 Pa∙m³/s。

（2）石墨编织填料摩擦性能更稳定，且载荷传递效率更高。在相同轴向压缩载荷（40 MPa）条件下，石墨编织填料的载荷传递效率为34.5%~36.3%；填料与阀杆之间摩擦力增加相对较小，500次动作循环后，摩擦力由1.09~1.17 kN提升至1.45~1.54 kN。

（3）两种填料结构各具特点，在工程应用中可根据阀门工况特征进行选用：对于以静密封为主，对初始密封建立能力和泄漏率要求较高的工况，V型组合填料具有一定的应用优势；对于阀杆需频繁动作，且需经历升降温、升降压和振动等复杂服役条件的工况，石墨编织填料在稳定性、载荷传递效率及长期服役可靠性等方面更具优势。对于节流阀等阀杆相对填料做直线运动的高温高压阀门，建议优先选用石墨编织填料，而对于需要进一步提升初始比压或强化早期密封补偿能力的场合，可结合具体结构空间和使用要求考虑采用V型组合填料。

（4）石墨编织填料随阀门整机完成了水介质3000次启闭动作循环，压盖螺栓剩余力矩从56 N∙m逐渐下降至32 N∙m，氦气泄漏率稳定在4.59~5.54 ppm之间，水介质密封性能良好。经10次升降温、升降压和振动试验后，压盖螺栓剩余预紧力矩为25.2 N∙m，填料仍能保持良好的水介质密封效果。该石墨编织填料满足核级高温高压节流阀阀杆密封可靠性和耐振动环境要求，推荐用于节流阀等阀杆相对填料做直线运动的阀门。