鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)水路閥門密封面設(shè)計(jì)

孔立群，王 震

(中國(guó)重型機(jī)械研究院西安重型技術(shù)有限責(zé)任公司，西安710032)

鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)水路閥門密封面設(shè)計(jì)

孔立群，王 震

(中國(guó)重型機(jī)械研究院西安重型技術(shù)有限責(zé)任公司，西安710032)

闡述了鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)水路閥門密封面密封原理，并分析了造成泄露的兩個(gè)主要因素為密封副之間存在間隙和密封副兩側(cè)存在壓差。指出閥門密封面應(yīng)根據(jù)工藝條件、流體介質(zhì)性質(zhì)、工作溫度、壓力和閥門通徑等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了密封面設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法，并通過計(jì)算得出了密封面寬度和密封力對(duì)密封面密封性能的影響，同時(shí)分析了使用水介質(zhì)情況下，影響密封面密封性能的相關(guān)因素。

焊管；水壓機(jī)；閥門；密封面；密封原理；密封力；密封比壓；氣蝕

0 前 言

鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)水路閥門密封面的密封性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到水壓試驗(yàn)機(jī)能否正常、高效工作。閥門密封面應(yīng)根據(jù)工藝條件、流體介質(zhì)的性質(zhì)、工作溫度、壓力及閥門通徑等技術(shù)參數(shù)，依照密封原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)選擇合理的密封材料和科學(xué)的密封副匹配，以求獲得可靠的密封性能。

閥門密封面是指閥座與關(guān)閉件互相接觸進(jìn)行關(guān)閉的部分。鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)水路閥門密封面大多為金屬錐面密封結(jié)構(gòu)，本研究以錐面密封為研究對(duì)象進(jìn)行密封面基本設(shè)計(jì)及密封性能的探討。

1 密封原理

密封的基本原理是通過不同途徑阻止介質(zhì)的泄漏。造成泄漏的因素主要有兩個(gè)：①密封副之間存在著間隙；②密封副兩側(cè)存在著壓差。前者是影響密封性能的主要因素。

接觸密封是指借助密封力使密封面互相靠緊、接觸并嵌入以減小或消除間隙的各類密封,錐面密封屬于接觸密封。為保證接觸面的密封性，必須在密封面之間產(chǎn)生相互作用力，即在結(jié)合的密封面上產(chǎn)生一定的比壓，依靠比壓使平面上已有的平面度產(chǎn)生變形。如果變形是在材料的彈性極限范圍內(nèi)，并產(chǎn)生不大的殘余變形時(shí)，那么接觸面每當(dāng)施加力F時(shí)，便可以保證其密封性；如果密封表面粗糙，平面度偏差大，則保證密封所施加的作用力就大，密封面上產(chǎn)生的殘余變形也大。根據(jù)“只有當(dāng)密封表面間的間隙小于介質(zhì)分子直徑時(shí)，才能保證介質(zhì)不滲漏”的觀點(diǎn)，認(rèn)為防止水壓機(jī)介質(zhì)滲漏間隙值必須小至0.003 μm。但是，即使經(jīng)過精密研磨的金屬表面，其凸峰高度仍會(huì)＞0.1 μm，即比水分子直徑大30倍。由此可見，只依靠提高密封表面粗糙度來解決絕對(duì)密封的方法是不可行的。

絕對(duì)密封非常困難，經(jīng)過一定時(shí)間總會(huì)有若干介質(zhì)滲漏或蒸發(fā)。但是當(dāng)密封性能良好時(shí)，滲漏介質(zhì)的數(shù)量極少，可以忽略不計(jì)。在密封結(jié)構(gòu)工作的初始階段，通過密封結(jié)構(gòu)處的介質(zhì)滲漏量是變化的。密封副周邊單位長(zhǎng)度上的泄漏量與毛細(xì)管直徑d的四次方、液體的密度、密封副兩側(cè)的壓差乘積成正比，與密封面寬度成反比。顯然，泄漏量的大小與流體的性質(zhì)有關(guān)。

由于閉塞現(xiàn)象，通過間隙的滲漏量逐漸減少，在經(jīng)過一段時(shí)間后，其數(shù)量會(huì)趨于恒定。由于縫隙閉塞，間隙被極性分子的附著層填滿，當(dāng)間隙不超過0.02mm時(shí)，介質(zhì)逐漸停止?jié)B漏。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，由兩個(gè)接觸金屬面形成的密封所滲漏的介質(zhì)數(shù)量取決于以下幾個(gè)方面：①密封面的表面質(zhì)量，包括密封表面的微觀幾何形狀、平面度及與理想表面的偏差程度；②密封面的寬度；③密封面內(nèi)外的壓力差大小；④密封面上的比壓值；⑤工作介質(zhì)的性質(zhì)；⑥密封面的親水性或憎水性；⑦密封面間有無密封油脂；⑧閉路閥的結(jié)構(gòu)；⑨密封面材料及其處理狀態(tài)。

2 錐密封面設(shè)計(jì)計(jì)算

錐面密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 錐面密封結(jié)構(gòu)

2.1 密封面上的總作用力和比壓計(jì)算

密封面上的總作用力FMZ的計(jì)算為

式中:FMJ—密封面上介質(zhì)作用力,N;

FMF—密封面上密封力，N;

DMN—密封面內(nèi)徑，設(shè)計(jì)給定，mm；

DMW—密封面外徑，設(shè)計(jì)給定，mm；

α—密封面錐半角，設(shè)計(jì)給定，(°)；

bM—密封面寬度，設(shè)計(jì)給定，mm；

p—設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)給定，MPa；

fM—密封面摩擦因數(shù)，具體數(shù)值見表1；

qMF—密封面必需比壓，MPa。

密封面比壓q計(jì)算為

密封面比壓的合格標(biāo)準(zhǔn)為qMF≤q≤[q]，其中[q]為密封面許用比壓，具體數(shù)值見表2。

表1 密封面的摩擦因數(shù)

表2 常用密封材料的許用比壓

2.2 公式中參數(shù)的選用

影響密封面密封性能的參數(shù)為密封面寬度bM和密封面上的密封力F。

密封面寬度決定毛細(xì)孔的長(zhǎng)度。當(dāng)寬度加大時(shí)，液體沿毛細(xì)孔運(yùn)動(dòng)路程增加，泄漏量成正比減小。但實(shí)際上因?yàn)槊芊飧苯佑|面不能全部吻合，不能完全起到密封作用，隨著密封面寬度的增加，密封所需作用力也需要增大，同時(shí)密封面的加工難度也隨之增加。反之，若密封面寬度選取較小值時(shí)，密封面比壓增大，導(dǎo)致密封面容易被壓壞。

密封力F對(duì)密封面密封性能的影響：①密封力F選取較大值時(shí)，密封性好，但密封面容易被壓壞，同時(shí)增大了密封力F也帶來了成本的提高。反之，密封力F選取較小值時(shí)卻容易發(fā)生泄漏；②密封力F取值與密封面材料有關(guān)。當(dāng)密封面材料硬度低，小的密封力F就能壓平密封面加工痕跡取得較好的密封效果，當(dāng)密封材料硬度高時(shí)，雖然用了很大的密封力，但也很難把密封面加工痕跡壓平，達(dá)不到密封效果。③密封力F的取值跟介質(zhì)壓力差有關(guān)，當(dāng)介質(zhì)壓差較大時(shí)，要達(dá)到密封必須要有很小的溝槽通道直徑和很長(zhǎng)的密封寬度。同時(shí)，在寬度和加工精度確定的情況下，要達(dá)到溝槽通道直徑較小的條件，就必須加大密封力F值才能達(dá)到目的。

3 影響水介質(zhì)密封面密封性能的因素

3.1 氣蝕與氣蝕磨損

由于水的汽化壓力高，節(jié)流口處的流速也很高，所以在水壓閥中很容易產(chǎn)生氣蝕。氣蝕對(duì)材料表面的破壞主要體現(xiàn)在氣泡崩潰后產(chǎn)生的壓力波對(duì)零件表面產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊作用。由于水的密度大，可壓縮性小，同礦物油相比，水在氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊會(huì)更大，破壞力更強(qiáng)，這種沖擊壓力最高時(shí)甚至可以超過1 GPa。氣蝕在錐閥芯和閥座上產(chǎn)生兩種形式的侵蝕：一種是大尺寸的凹坑，是由單個(gè)氣泡的破裂造成的；另一種是一些較小的凹坑，是由一些強(qiáng)度較弱的沖擊累積作用而成的。

氣蝕的破壞速度與材料的機(jī)械性能關(guān)系密切。對(duì)大多數(shù)材料來說，硬度是影響氣蝕的主要因素，抗氣蝕能力會(huì)隨著材料硬度的提高而提高，兩者之間大致成指數(shù)關(guān)系。硬度低的材料在斷裂或出現(xiàn)裂縫之前先產(chǎn)生塑性變形，而硬質(zhì)材料首先出現(xiàn)的破壞形式就是疲勞斷裂。常見材料按抗氣蝕能力的強(qiáng)弱依次為黃銅、不銹鋼316、不銹鋼630、不銹鋼440C、司太立合金6。

氣蝕破壞與材料的疲勞強(qiáng)度也有關(guān)，這是因?yàn)椴粩嗌傻臍馀莶粩啾罎?duì)零件表面會(huì)產(chǎn)生重復(fù)性的沖擊，導(dǎo)致材料的疲勞。另外，水中氣體的含量、閥芯形狀、閥口開度、出口背壓等對(duì)氣蝕的強(qiáng)弱都有一定影響。

3.2 拉絲侵蝕和沖蝕

產(chǎn)生拉絲侵蝕的原因主要有兩種：①由于水的黏度低，在相同的條件下閥口的流速比油壓閥高，在小開度、大壓差情況下更是如此，流速有時(shí)甚至高達(dá)200m/s。當(dāng)如此高速的水流流過節(jié)流口時(shí)，會(huì)對(duì)閥芯與閥座產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷作用，久而久之會(huì)在其上面形成一道道溝痕；②因?yàn)樗畨洪y常用在開式系統(tǒng)，有時(shí)甚至直接放在水底，因而一些細(xì)小的砂礫會(huì)被吸進(jìn)系統(tǒng)。這些砂礫被高速水流攜帶著沖向零件表面，象小刀一樣也會(huì)在零件表面刮出一條條痕跡。高速水流造成的拉絲侵蝕和微小顆粒造成的拉絲侵蝕形狀上基本相同，都是一條條拉長(zhǎng)的溝槽，其方向與水流動(dòng)方向一致。沖蝕則是水流以一定的角度沖向零件表面所造成的，形狀多為凹坑。材料硬度對(duì)抗拉絲侵蝕和沖蝕有很大的作用，一般來說，材料的硬度越高，抗拉絲侵蝕和沖蝕能力就越強(qiáng)。

4 結(jié)語

鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)水路閥門密封面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循水介質(zhì)性質(zhì)，根據(jù)密封原理結(jié)合實(shí)地使用工況、設(shè)計(jì)要求等因素確定合理的密封面寬度和密封力，進(jìn)而驗(yàn)算密封面比壓在合理規(guī)定的范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮金屬密封面易受夾入介質(zhì)和磨損顆粒的影響而損壞，還受介質(zhì)腐蝕、沖刷和氣蝕的損害。因此，密封面必須選擇能夠抗腐蝕、耐沖刷、抗擦傷以及具有合適硬度的材料。

[1]陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]顧佰勤，李新華，田爭(zhēng).靜密封設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[3]顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[4]機(jī)械工業(yè)出版社.閥門機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編[G].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[5]楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[6]高清寶，于德純.鋼制閥門密封面堆焊材料的研究與分析[J].閥門，2006(05)：9-18.

[7]陸培文.閥門設(shè)計(jì)入門與精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[8]API 600/ISO 10434—2001，石油和天然氣工業(yè)用栓接閥蓋的鋼制閘閥[S].

[9]張清雙，尹玉杰，明賜東.閥門手冊(cè)—選型[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[10]孫曉霞.閥門—銷售和采購(gòu)人員必讀[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

Sealing Surface Design for Waterway Valve of Steel Pipe Hydrostatic Testing Machine

KONG Liqun,WANG Zhen
(China heavy machinery research institute Xi'an Heavy Type Technology Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China)

In this article,it expatiated the sealing principle of steel pipe hydrostatic testing machine sealing surface,and analyzed two main factors caused leak,including the gap existing sealing pair and the differential pressure existing in both sides of sealing pair.It pointed out that the valve sealing surface should be designed according to process conditions,fluid performance,working temperature,pressure and valve size and other technical parameters.The calculation method for sealing surface design parameters was provided,a conclusion of the influence of sealing surface width and sealing force on sealing performance was obtained through calculation.Simultaneously,it analyzed the relevant factors for affecting sealing performance of sealing surface in the case of water medium.

welded pipe;hydraulic press;valve;sealing surface;sealing principle;sealing force;sealing pressure ratio;cavitation

TG115.6

B

1001-3938(2015)02-0042-04

孔立群(1974—)，男，工程師，主要從事焊管設(shè)備設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

2014-12-08

張 歌