鋼管水壓試驗機水路閥門密封面設計

孔立群，王 震

(中國重型機械研究院西安重型技術有限責任公司，西安710032)

鋼管水壓試驗機水路閥門密封面設計

孔立群，王 震

(中國重型機械研究院西安重型技術有限責任公司，西安710032)

闡述了鋼管水壓試驗機水路閥門密封面密封原理，并分析了造成泄露的兩個主要因素為密封副之間存在間隙和密封副兩側存在壓差。指出閥門密封面應根據(jù)工藝條件、流體介質性質、工作溫度、壓力和閥門通徑等技術參數(shù)進行設計，給出了密封面設計參數(shù)的計算方法，并通過計算得出了密封面寬度和密封力對密封面密封性能的影響，同時分析了使用水介質情況下，影響密封面密封性能的相關因素。

焊管；水壓機；閥門；密封面；密封原理；密封力；密封比壓；氣蝕

0 前 言

鋼管水壓試驗機水路閥門密封面的密封性能的優(yōu)劣，直接關系到水壓試驗機能否正常、高效工作。閥門密封面應根據(jù)工藝條件、流體介質的性質、工作溫度、壓力及閥門通徑等技術參數(shù)，依照密封原理進行設計，同時選擇合理的密封材料和科學的密封副匹配，以求獲得可靠的密封性能。

閥門密封面是指閥座與關閉件互相接觸進行關閉的部分。鋼管水壓試驗機水路閥門密封面大多為金屬錐面密封結構，本研究以錐面密封為研究對象進行密封面基本設計及密封性能的探討。

1 密封原理

密封的基本原理是通過不同途徑阻止介質的泄漏。造成泄漏的因素主要有兩個：①密封副之間存在著間隙；②密封副兩側存在著壓差。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，那么接觸面每當施加力F時，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)“只有當密封表面間的間隙小于介質分子直徑時，才能保證介質不滲漏”的觀點，認為防止水壓機介質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＞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密封的方法是不可行的。

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

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

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，由兩個接觸金屬面形成的密封所滲漏的介質數(shù)量取決于以下幾個方面：①密封面的表面質量，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??；④密封面上的比壓值；⑤工作介質的性質；⑥密封面的親水性或憎水性；⑦密封面間有無密封油脂；⑧閉路閥的結構；⑨密封面材料及其處理狀態(tài)。

2 錐密封面設計計算

錐面密封結構如圖1所示。

圖1 錐面密封結構

2.1 密封面上的總作用力和比壓計算

密封面上的總作用力FMZ的計算為

式中:FMJ—密封面上介質作用力,N;

FMF—密封面上密封力，N;

DMN—密封面內(nèi)徑，設計給定，mm；

DMW—密封面外徑，設計給定，mm；

α—密封面錐半角，設計給定，(°)；

bM—密封面寬度，設計給定，mm；

p—設計壓力，設計給定，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計算為

密封面比壓的合格標準為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孔的長度。當寬度加大時，液體沿毛細孔運動路程增加，泄漏量成正比減小。但實際上因為密封副接觸面不能全部吻合，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，密封面比壓增大，導致密封面容易被壓壞。

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

3 影響水介質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)生的壓力波對零件表面產(chǎn)生很強的沖擊作用。由于水的密度大，可壓縮性小，同礦物油相比，水在氣泡破裂時產(chǎn)生的壓力沖擊會更大，破壞力更強，這種沖擊壓力最高時甚至可以超過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，是由單個氣泡的破裂造成的；另一種是一些較小的凹坑，是由一些強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械性能關系密切。對大多數(shù)材料來說，硬度是影響氣蝕的主要因素，抗氣蝕能力會隨著材料硬度的提高而提高，兩者之間大致成指數(shù)關系。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度也有關，這是因為不斷生成的氣泡不斷崩潰對零件表面會產(chǎn)生重復性的沖擊，導致材料的疲勞。另外，水中氣體的含量、閥芯形狀、閥口開度、出口背壓等對氣蝕的強弱都有一定影響。

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，流速有時甚至高達200m/s。當如此高速的水流流過節(jié)流口時，會對閥芯與閥座產(chǎn)生嚴重的沖刷作用，久而久之會在其上面形成一道道溝痕；②因為水壓閥常用在開式系統(tǒng)，有時甚至直接放在水底，因而一些細小的砂礫會被吸進系統(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，都是一條條拉長的溝槽，其方向與水流動方向一致。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。

4 結語

鋼管水壓試驗機水路閥門密封面設計應遵循水介質性質，根據(jù)密封原理結合實地使用工況、設計要求等因素確定合理的密封面寬度和密封力，進而驗算密封面比壓在合理規(guī)定的范圍內(nèi)。設計時應考慮金屬密封面易受夾入介質和磨損顆粒的影響而損壞，還受介質腐蝕、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。

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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，主要從事焊管設備設計與研發(fā)工作。

2014-12-08

張 歌