閥門動(dòng)密封的常用結(jié)構(gòu)、材料及特性

周曉普

摘 要：閥門是管道系統(tǒng)中的重要部件，廣泛應(yīng)用于控制流體的流量、壓力和流向等，被控制流體可以是氣體、液體、氣液混合體或固液混合體。閥門通常是由閥蓋、閥體、閥座、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、啟閉件、密封件和緊固件等組成。近年來，隨著電力、冶金、石油、化工等行業(yè)的發(fā)展，間接促進(jìn)了閥門行業(yè)的高速前進(jìn)。閥門在大型化、高參數(shù)化、高性能、自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程中存在諸多問題，其密封性能作為最重要的技術(shù)性能指標(biāo)，仍是研究重點(diǎn)。分別從材料開發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和密封性能3個(gè)方面歸納了當(dāng)前閥門密封的研究內(nèi)容，對(duì)閥門密封的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：閥門動(dòng)密封；結(jié)構(gòu)；材料；特性

1 閥門密封概述

閥門密封按密封面是否接觸分為接觸密封和非接觸密封，靠密封力使密封面相互靠緊、接觸并嵌人以減小或消除間隙的各類密封稱為接觸密封；密封面間預(yù)留固定的裝配間隙，無需密封力壓緊密封面的各類密封為非接觸密封。根據(jù)接觸密封副是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，閥門密封又分為動(dòng)密封和靜密封：靜密封通常都屬于接觸密封，動(dòng)密封既有屬于接觸型的，也有非接觸型。閥門通常有兩個(gè)部位需用到動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，一是閥座、活閥處的密封，另一是運(yùn)動(dòng)桿導(dǎo)向密封。閥門動(dòng)密封是閥門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)也是難點(diǎn)，其泄漏會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，國內(nèi)外航天歷史上多次出現(xiàn)由于閥門泄漏導(dǎo)致任務(wù)推遲或失敗的案例。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種閥門對(duì)其動(dòng)密封結(jié)構(gòu)和材料的要求也越來越高，要求具有高耐磨性、高密封性以及較強(qiáng)的抗腐蝕性能等，以適應(yīng)高溫、高壓及低溫等惡劣工況。

2 常見閥門動(dòng)密封分析

2.1 形圈動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

O形密封圈是以一種圓環(huán)形的密封元件，其所采用的材料一般為合成橡膠材料，也有使用金屬或其他非橡膠材料加工的。我國目前使用量最大的是合成橡膠材料的O形圈，常用的材料有硅膠、丁腈膠和氟膠等。該部件主要安裝在端面倒角槽和矩形溝槽中，也可以安裝在燕尾槽、偏矩形槽等其他形狀溝槽中從而構(gòu)成一種密封結(jié)構(gòu)。

使用0形密封圈要注意以下幾點(diǎn)：

（1）功防止出現(xiàn)擰扭和擠壓現(xiàn)象。密封件可能會(huì)由于壓力問題從縫隙中擠出，特別是因?yàn)闆_擊壓力讓液壓缸產(chǎn)生變形導(dǎo)致間隙增大時(shí)，密封件就會(huì)從縫隙中擠出導(dǎo)致壓力消失，這時(shí)候就會(huì)引起全周擠裂而造成漏液，嚴(yán)重的甚至?xí)斐墒鹿省Ｒ虼?，使?形圈時(shí)必須考慮靜態(tài)壓力和受壓缸體的變形影響，同時(shí)，可以在缸體低壓側(cè)適當(dāng)?shù)氖褂脫醢鍋矸乐惯@種現(xiàn)象。

（2）0形圈表面不能有劃傷。裝備密封圈所通過的軸端、軸間必須修圓使其直徑要等于0形密封圈界面直徑，表面不能有生銹和毛刺。當(dāng)?shù)逗鄯较蚺c泄露方向一致時(shí)，如果是軸向密封，必定會(huì)造成漏液現(xiàn)象。如果是以拉伸狀態(tài)安裝0形圈時(shí)，軸面必須盡可能光滑并且涂以潤滑劑。

（3）正確安裝0形密封圈。在密封圈安裝時(shí)，要選擇合適的密封圈，保證密封圈有足夠的張力，使組裝定位的位置不偏離移動(dòng)、下垂、部分吸入或擠出。

2.2 填料動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

填料密封結(jié)構(gòu)是閥門中應(yīng)用最為廣泛的一種動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，一般用在閥門閥蓋與閥桿之間的密封。填料密封包括壓蓋式密封和壓緊螺母式密封兩種基本形式。其工作原理是將填料裝入填料腔后，經(jīng)壓蓋螺紋對(duì)它作軸向壓縮，由于填料的可塑性，在軸與填料相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中使填料產(chǎn)生徑向力，并與軸緊密接觸。同時(shí)，填料中浸漬的潤滑劑被擠出，在接觸面之間形成油膜，而未接觸的凹部形成小油槽，從而在接觸部位與非接觸部位組成不規(guī)則迷宮。阻止液流泄露。

對(duì)于填料動(dòng)密封技術(shù)要注意以下幾點(diǎn)：

（1）為了確保填料成功，在結(jié)構(gòu)上除了要提高方案與填料函的同軸度及各自幾何精度外，還應(yīng)該保證填料函內(nèi)孔和閥桿表面的光滑度，從而減少密封間隙，杜絕泄露。

（2）在工藝上，為了避免因介質(zhì)對(duì)填料函、閥桿腐蝕形成的凹坑而產(chǎn)生的泄露問題，必須對(duì)填料函和閥桿進(jìn)行防腐處理，如電鍍處理或選用不銹鋼材質(zhì)都是不錯(cuò)的選擇。

（3）填料要定期更換。填料在運(yùn)行過程中會(huì)受到侵蝕、老化、磨損、溫度等因素影響，從而逐漸失去致密性能而導(dǎo)致漏液。

2.3 金屬波紋管密封結(jié)構(gòu)

在常溫低壓下，0形環(huán)動(dòng)密封和填料動(dòng)密封技術(shù)都能滿足需求，然而在高溫、高壓、低溫、有毒或有腐蝕性介質(zhì)閥門中，上述機(jī)械式動(dòng)密封技術(shù)就無法達(dá)到零泄漏的密封要求，而金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)卻能夠?qū)崿F(xiàn)零泄漏，且高效、可靠。也因此，歐美國家以及中國、日本等國家在航空航天技術(shù)閥門領(lǐng)域都投入了大量人力物力對(duì)金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)的研究和應(yīng)用。

金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)是通過金屬波紋管組合件來實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封作用的，這些組合件一般由金屬波紋管、法蘭連接件、蓋連接件組成。金屬波紋管主要依靠波紋管的彈性薄板材料所具備的彈性和強(qiáng)度，在組合件與閥門投一起移動(dòng)時(shí)進(jìn)行拉伸或壓縮，從而阻斷介質(zhì)腔和氣控腔的泄露。在閥頭移動(dòng)的全過程中，依靠金屬波紋管動(dòng)密封實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)副之間無摩擦、無接觸。金屬波紋管、法蘭盤連接件、蓋連接件通過手工或自動(dòng)氫弧焊焊接、錫焊焊接、電子束焊焊接等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)連接。金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)的關(guān)鍵部位是具有伸縮功能的金屬波紋管，它一般由2-3層U型不銹鋼OOCr17Ni14Mo2和高溫合金GH4169組成，具有以下特性：

（1）同時(shí)具有壓縮彈性和拉伸彈性。一般的閥門所使用的金屬彈簧大多只具備單向的壓縮性，而金屬波紋管則是一個(gè)既能壓又能拉的雙向機(jī)械彈簧，能夠在一定的范圍內(nèi)自由壓縮和拉伸。

（2）金屬波紋管能夠在零下253攝氏度的低溫和500攝氏度的高溫環(huán)境下工作，是真正的耐低溫、耐高溫材料。

（3）金屬波紋管既能承受內(nèi)壓作用，也能夠承受外壓的作用，一般能夠在20MPa罕30MPa的內(nèi)壓和外壓環(huán)境下不失穩(wěn)。

3 密封研究趨勢

閥門在未來實(shí)際工作過程中，面臨新的更嚴(yán)峻的應(yīng)用環(huán)境和工作要求，將出現(xiàn)新的更為復(fù)雜的問題，極端環(huán)境下的閥門密封失效及解決方案仍然是科研工作者研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

隨著市場對(duì)專業(yè)化、特殊化閥門的要求越來越高，單獨(dú)的新材料開發(fā)、密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)以及基于此的密封性能研究已經(jīng)不再能滿足市場的需要，未來的研究將會(huì)重點(diǎn)圍繞三者的綜合開發(fā)，在新材料的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)更優(yōu)密封性能的密封結(jié)構(gòu)是閥門未來發(fā)展的重要趨勢。

閥門及管道線路的自動(dòng)化是管道運(yùn)輸發(fā)展的必然趨勢，相應(yīng)的自動(dòng)化閥門密封研究也是未來發(fā)展一個(gè)重要趨勢。

4 結(jié)語

閥門的主要工作原理是閥瓣相對(duì)閥座運(yùn)功從而實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)調(diào)節(jié)功能，而這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的其中一種技術(shù)手段就是運(yùn)用動(dòng)密封結(jié)構(gòu)來保證閥門相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的可靠密封和動(dòng)作。閥門動(dòng)密封技術(shù)是閥門設(shè)計(jì)的一個(gè)重難點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否以及材料的選擇都會(huì)對(duì)間門的動(dòng)特性和密封性造成很大的影響。本文通過介紹0形密封圈、金屬波紋管密封、填料密封三種主要的閥門動(dòng)密封技術(shù)所采用的結(jié)構(gòu)、材料及特性，以期為閥門動(dòng)密封新技術(shù)的研究提供參考。

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