日益严格的环境法规，以及对高性能和低维护的要求，使得阀门填料的选择过程更加关键。

传统的阀门选择过程就是根据流量特性、材料的适应性、压力和温度要求为应用场合来选择一个阀门。调节阀填料的选择通常是一个相对次要的问题，主要基于工艺温度。然而，随着法规的通过，如美国环境保护署(EPA)的《美国清洁空气法修正案》，阀门填料的选择变得更加重要。以前排放限制是500ppm，但现在已降至100ppm，在某些情况下甚至达到50ppm。

本文将详细说明阀门填料及其选择，并将向终端用户提供他们需要的信息，以便为他们的应用做出最佳选择。

填料的工作原理
在深入研究选择过程之前，最好了解调节阀填料做什么以及它是如何工作的。调节阀一般分为两大类:直行程阀或旋转阀。直行程阀其具有从阀体伸出的杆，该杆可以上升和下降，以开启和关闭阀门。旋转阀具有从阀的一侧伸出的轴，该轴连接到球、阀瓣或阀塞。当轴转动时，旋转阀开启和关闭。在任何一种情况下，阀门阀杆必须远离阀体，并且能够进行相对无摩擦的运动，同时控制过程并避免泄漏,阀门填料使这成为可能

阀门的密封部分填料通常由一系列的聚四氟乙烯(PTFE)或石墨环包围阀杆(图1)。填料环通过被填料压盖压缩，填料法兰和螺栓——压低密封环和挤压轴来阻止密封泄漏的过程。

图1:这张照片显示了一个典型的直行程调节阀。填料由填料函(3)、正上方的填料环(2)和填料压盖、安装在上面的填料法兰和螺栓组成。
填料环允许阀杆移动，同时保持对阀体和轴的密封，防止工艺流体沿阀杆泄漏。在某些应用中，填料只需要防止严重的工艺泄漏，所以相对较小的逃逸排放不是一个问题。阀杆的自由运动被认为是一个更重要的要求，因为被卡或被束缚的阀杆会影响阀门的流量控制能力。

填料设计很简单，填料环的选择也很简单，因为它主要是基于工艺温度，因为只有非常高的工艺压力才会影响填料。当逸散性排放控制成为EPA的首要任务时，一切都改变了。天然气和大多数危险化学品的阀门填料排放最初被限制在500ppm，但随着每一轮法规的实施，排放量一直在稳步下降。填料设计的选择现在更加多样化，使选择过程更加复杂。

环保填料设计

为了保持如此低的排放，填料必须“动负载”，以保持密封环上的压力恒定(图2)。这通常是使用弹簧加载的蝶形弹簧来完成的，在安装过程中压缩填料。蝶形弹簧在填料上保持恒定的压力，确保随着时间的推移，即使阀杆运动导致环磨损，也能保持密封。填料的负荷必须高于工艺压力，这进一步使设计和选择过程复杂化。

图2:现代填料设计使用压缩的蝶形弹簧或其他特殊的弹簧，以保持在填料环上的恒定压力。这确保了泄漏排放被限制在100ppm或更少，即使填料环磨损。
动负载填料设计大大减少了泄漏排放，压缩越高，泄漏率越低。然而，高压缩增加了阀杆摩擦，阻碍了运动，降低了调节阀的性能。聚四氟乙烯密封良好，润滑轴，允许平稳运动，但聚四氟乙烯填料通常只允许应用在额定压力下高达450°F（232℃）。超过这个温度，它就会分解，释放出有毒气体并腐蚀阀杆。
石墨环可以代替PTFE，大大提高了允许温度至1,000°F（538℃），压力超过4,000 PSI。然而，石墨的密封性能不如聚四氟乙烯，这使得它很难符合排放法规。在较低的温度下，它还会限制阀杆的运动，降低性能。
先进的环保填料设计
一些阀门供应商已经通过结合先进的材料和改进的填料配置来解决这些问题(图3)。碳或玻璃增强聚四氟乙烯改善了磨损性能，而由石墨层和增强聚四氟乙烯层组成的复合填料扩大了运行范围。也有替代材料，如KALREZ（全氟醚橡胶），可能更适合某些困难的工艺化学品。

图3:先进的环保填料使用碳增强聚四氟乙烯，石墨，或增强聚四氟乙烯和石墨环的组合，以处理更高的工艺温度和压力，但仍然能实现排放率低于100ppm。
尽管有这些改进，但在某些环境敏感的应用中，工艺条件超过了填料的温度和压力额定值。在这种情况下，还有另一种选择。
高温建模
在大多数调节阀中，填料位于阀杆上，与阀体相对距离较远。当阀门内部部件在整个生产过程中承受全部温度时，填料通常承受的温度较低，因为阀盖容易散热。在工艺介质超过PTFE温度等级的应用中，工艺和填料之间的温差提供了利用聚四氟乙烯基填料优越的密封和润滑的机会。
有限元分析可对调节阀阀体和阀盖在工艺条件下的热特征进行建模(图4)。该热分析模型可用于预测填料不同截面所遇到的最高温度。

图4:先进的建模和仿真程序允许供应商预测填料部件的最高温度，从而使用性能优异的填料材料。

这些仿真模型的准确性是建立在一个先进的理解阀的对流、辐射和传导,以及广泛的实验室测试的结果(图5)。这种努力使高性能填料材料应用在工艺条件远远超出他们的评级标准的PTFE-based填料。

图5:该调节阀在实验室中进行温度循环，开发温度仿真模型并验证其准确性。
一旦建立并验证了温度模型，数据就可以用于创建填料设计，包括高温区域的石墨填料和低温区域的增强PTFE填料的组合。石墨可以承受高温和高压，聚四氟乙烯确保满足排放要求，同时提供更好的润滑和更长的使用寿命。
最终用户应该寻找提供所有这些选项的供应商，并与他们合作，为他们的应用程序选择正确的组合。
填料选择总结
调节阀填料的选择要求最终用户按照以下步骤依次进行:
1)确定过程介质的压力和温度。
2)了解阀门类型(直行程阀与旋转阀)、阀门制造和型号(这可能会限制可用的填料选项)。
3)确定阀门是否必须满足特定的泄漏标准。(空气、蒸汽、氮气、水等一般不需要低排放填料，天然气和大多数危险化学品通常需要低排放性能。)
4)对阀门供应商提供的各种填料密封选项进行材料兼容性研究。
5)根据这些信息，咨询所选阀门型号的填料选项，以确定何种填料材料和设计将满足要求。所选择的填料应该提供所需的排放水平，同时尽可能减少阀杆的摩擦运动。请注意，即使工艺可能不需要低排放填料，一些环保填料设计也可能是一个很好的选择，因为它们可能提供优越的密封性能和非常低的摩擦。
6)如果标准的填料在温度和压力条件下不适用，请检查阀门供应商是否有相应的温度型号，以使填料材料的组合能够满足应用工况的要求。
结论
传统上，调节阀填料设计一直是调节阀选择过程中比较简单的一部分。根据所需的流量性能、工艺温度和压力选择特定的调节阀，填料由供应商提供，以匹配最终用户提供的工艺数据。
现在，填料的选择和设计就变的更加困难。严格的环境法规要求在阀门的使用寿命内，阀门填料的排放非常低，但填料必须同时允许相对无摩擦的运动。这推动了更先进的阀门填料设计的发展，必须仔细评估和正确应用，以提供高性能和免维护服务。
最终用户可以通过与阀门供应商合作来解决这些问题，不仅可以提供广泛的选择，还可以评估各种设计，并验证每种设计对其应用的适用性。