閥門密封性能的研究進(jìn)展

于龍杰 錢錦遠(yuǎn) 金志江

(浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 浙江杭州 310027)

閥門作為過(guò)程流體系統(tǒng)的重要部件，具有調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、泄壓等功能，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，小到生物醫(yī)學(xué)、精密儀器等領(lǐng)域使用的各樣微型閥門，大到電力、石化、冶金、化工等領(lǐng)域使用的各種大型工業(yè)閥門。閥門輸送的介質(zhì)同樣多種多樣，有氣體、蒸汽、液化氣體、臨界液體等，甚至某些介質(zhì)具有易燃、易爆、有毒、腐蝕性等危險(xiǎn)特性。但作為過(guò)程流體系統(tǒng)主要的泄漏源之一，世界上有1/3的閥門失效來(lái)源于密封失效，閥門密封失效造成事故損失尤為嚴(yán)重，因此，作為實(shí)現(xiàn)阻斷，防止外漏、內(nèi)漏的重要部件，閥門密封的可靠性問題受到廣泛關(guān)注[1]。

閥門密封性能是指閥門各密封部位阻止介質(zhì)泄漏的能力，是閥門重要的性能指標(biāo)。其研究?jī)?nèi)容主要涉及密封結(jié)構(gòu)的密封原理、密封表面形貌與泄漏率之間的關(guān)系、密封面比壓計(jì)算、密封接觸表面缺陷、內(nèi)部工作介質(zhì)影響(汽化、汽蝕、腐蝕、過(guò)流介質(zhì)沖刷、侵蝕、污損等)以及密封材料等方面。因此，可知決定密封性能的因素很多，密封失效通常是在多種因素的影響下發(fā)生的，需充分考慮各種影響密封性能的因素。隨著工業(yè)設(shè)備逐漸向高溫、高壓、大流量等高參數(shù)方向發(fā)展，過(guò)程流體系統(tǒng)對(duì)閥門密封性能提出了更高的要求，閥門密封性能的研究也逐漸成為閥門研究領(lǐng)域的重要研究方向。為此，本文作者在綜述國(guó)內(nèi)外閥門密封性能研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了接觸方面、運(yùn)行損傷方面等因素對(duì)閥門密封性能影響，以及閥門密封性能研究亟待解決的科學(xué)問題和未來(lái)發(fā)展的方向。

1 閥門密封結(jié)構(gòu)原理

閥門密封的原理是借助流體壓力、彈性元件作用力和預(yù)壓縮產(chǎn)生的密封力使密封副相互接觸、嵌入，減小密封面之間的間隙，同時(shí)借助液體在間隙間的表面張力等，將閥門泄漏量降低到規(guī)定值。

大型工業(yè)閥門主要密封部位為閥門啟閉件處、中法蘭與閥蓋處以及填料函與閥桿處，按不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，密封結(jié)構(gòu)可分為靜密封和動(dòng)密封，其中，填料函與閥桿處為閥門動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，要注意介質(zhì)不能隨閥桿的運(yùn)動(dòng)而泄漏。按材料的不同，密封結(jié)構(gòu)可分為硬密封和軟密封，硬密封是金屬和金屬之間的密封，故也稱金屬密封面，相對(duì)于軟密封，閥門硬密封雖然其造價(jià)更昂貴，但密封性能更好，使用壽命更長(zhǎng)。閥門密封結(jié)構(gòu)與材料需依據(jù)工作介質(zhì)、溫度、壓力以及閥門力矩大小等因素進(jìn)行合理選擇。

2 閥門密封接觸特性研究

2.1 密封比壓計(jì)算及研究

密封比壓為密封面上單位面積承受的壓力，是衡量密封面密封性能的重要指標(biāo)。密封比壓過(guò)大會(huì)造成密封面損傷，過(guò)小會(huì)造成介質(zhì)泄漏，因此，在閥門密封設(shè)計(jì)時(shí)需要做出規(guī)定。工程上一般通過(guò)密封比壓的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算密封比壓平均值，但是，隨著數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，許多研究者利用有限元方法進(jìn)行閥門密封面的接觸研究(見表1)，計(jì)算閥門的密封比壓大小及其分布規(guī)律，相比于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)然，對(duì)于不同閥門需要考慮不同的加載條件，進(jìn)行合理設(shè)置。

表1 球閥密封比壓有限元分析研究典型案例Table1 Typical cases of finite element analysis on specific pressure of ball valve seal

對(duì)于密封比壓的研究不僅停留在準(zhǔn)確計(jì)算上，更多研究者希望尋找密封比壓及其影響因素之間的規(guī)律，進(jìn)而用于指導(dǎo)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。閥門內(nèi)外介質(zhì)的壓力作為影響密封比壓的重要因素，需合理地將其考慮到密封的設(shè)計(jì)當(dāng)中，如深水球閥隨著深度變化，海水靜壓力的外載荷會(huì)改變，進(jìn)而影響閥門密封比壓與性能[7-9]。此外，浮動(dòng)球閥、 蝶閥等閥門內(nèi)介質(zhì)載荷變化也會(huì)對(duì)密封比壓產(chǎn)生影響[10]。

密封副的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封比壓也具有重要影響，密封比壓的大小與金屬密封面彈性模量、密封層厚度以及密封面寬度等參數(shù)相關(guān)。許多學(xué)者針對(duì)多種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封比壓的影響進(jìn)行了研究。唐洋等人[11]對(duì)深水測(cè)試防噴閥密封槽位置等參數(shù)開展研究，獲得密封槽位置、密封面寬度、摩擦因數(shù)與密封比壓分布和應(yīng)力分布規(guī)律。何東升等[12]、YANG等[13]對(duì)智能井流入控制閥密封最大過(guò)盈量、密封圈接觸面錐度等參數(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)計(jì)算徑向金屬密封接觸應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)增大過(guò)盈量和錐度有利于提高密封性能。

雖然目前已有大量關(guān)于密封比壓計(jì)算的研究，但仍存在以下問題：目前的研究基本是圍繞球閥結(jié)構(gòu)密封比壓計(jì)算，研究手段單一，主要是通過(guò)對(duì)閥門密封接觸結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算；此外，針對(duì)介質(zhì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封比壓的影響研究較少。未來(lái)還應(yīng)針對(duì)其他類型的閥門開展相關(guān)應(yīng)用研究與影響研究，進(jìn)而指導(dǎo)閥門密封的設(shè)計(jì)。

2.2 閥門密封接觸模型

密封副間存在間隙且兩側(cè)存在壓差是導(dǎo)致密封泄漏的根本原因。因此，為有效地預(yù)測(cè)密封結(jié)構(gòu)的實(shí)際密封性能，分析接觸界面間微觀結(jié)構(gòu)與流體滲流規(guī)律之間的關(guān)系也是研究閥門密封性能的重要內(nèi)容。接觸模型主要用于分析接觸應(yīng)力、接觸面積與表面形貌間的關(guān)系。進(jìn)行密封面粗糙表面的構(gòu)造、接觸研究是構(gòu)建粗糙表面泄漏模型的基礎(chǔ)，其方法主要有統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[14]、分形方法[15]、有限元方法[16]。接觸變形過(guò)程還要考慮純彈性、彈塑性和全塑性變形情況，其中微凸體的彈塑性變形機(jī)制最為復(fù)雜[17]。

對(duì)于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)建粗糙表面，粗糙度、紋理作為最明顯的表面特征，對(duì)密封的性能有著最直接的影響，對(duì)表面粗糙度等統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，也是真實(shí)準(zhǔn)確還原粗糙表面形貌的重要途徑[18]。YANG等[19]、任曉等人[20]、呂祥奎等[21]基于高斯分布函數(shù)和指數(shù)自相關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立2個(gè)粗糙面密封間隙的三維幾何模型(如圖1所示)，進(jìn)而通過(guò)數(shù)值方法分析材料力學(xué)特性、粗糙度參數(shù)、密封比壓與氣體密封性能之間的關(guān)系。

圖1 生成各向同性粗糙表面三維輪廓圖[20]Fig 1 The generated 3D profile of isotropic rough surface[20](a) βx=βy=5 μm;(b) βx=βy=10 μm; (c) βx=βy=50 μm

傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對(duì)于描述不同尺度的高度標(biāo)準(zhǔn)差、取樣長(zhǎng)度、曲率標(biāo)準(zhǔn)差等都存在局限性，運(yùn)用分形理論可較好地解決上述問題，得到密封接觸表面泄漏通道的分形表征。當(dāng)然，分形表征也需要滿足一定條件，選擇適合的表征方法，具體流程如圖2所示。目前，已經(jīng)發(fā)展了基于分形理論的Persson彈性接觸力學(xué)模型[22]等較為成熟的模型，并在實(shí)際應(yīng)用中取得較好的效果。

圖2 分形模型的表征及重構(gòu)流程Fig 2 Characterization and reconstruction process of fractal model

通過(guò)有限元模擬研究加載以及卸載條件下接觸表面的變形也是構(gòu)建密封間隙的有效方法。如FANG等[23]通過(guò)對(duì)單個(gè)粗糙峰機(jī)械接觸變形的有限元分析，得到有效分離高度表征界面泄漏通道的特征尺度。KE等[24]采用有限元研究織物橡膠密封件與金屬壓板接觸界面變形以及在不同的載荷位移和不同的接觸應(yīng)力下接觸問題。

圖3 粗糙表面和剛性平面之間的密封接觸界面以及泄漏橫截面示意[27]Fig 3 Schematic of the seal-contact interface between a fractal rough surface and a rigid flat plane, and the cross-section of leakage[27]

粗糙表面的接觸模型在近年來(lái)得到較大發(fā)展，但仍存在以下挑戰(zhàn)：各種模型都是基于一定的假設(shè)基礎(chǔ)，與真實(shí)接觸情況仍存在誤差；接觸過(guò)程中的變形狀態(tài)也使接觸的真實(shí)情況變得復(fù)雜,模型難以描述。

2.3 閥門密封泄漏預(yù)測(cè)模型

閥門密封泄漏預(yù)測(cè)模型是建立微觀形貌與宏觀泄漏率之間的理論關(guān)系式。密封間隙的泄漏流動(dòng)屬于微納尺度流體流動(dòng)，密封間隙視為層流流動(dòng)，可采用基于連續(xù)流的N-S方程推導(dǎo)。偶國(guó)富等[28]根據(jù)N-S方程推導(dǎo)出流體介質(zhì)在煤氣化系統(tǒng)中鎖渣閥的主密封結(jié)構(gòu)球面縫隙中的流動(dòng)模型，如圖4所示。而對(duì)于間隙尺寸更小的情況，不滿足連續(xù)性假設(shè)，需要基于粒子碰撞模型對(duì)泄漏進(jìn)行模擬，張健[29]采用LBM-TRT方法建立金屬密封粗糙面中微流動(dòng)泄漏計(jì)算模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比滿足一定精度。

圖4 不同紋理表面泄漏示意[28]Fig 4 Leakage schematic of different texture surfaces[28](a)vertical texture;(b)isotropic texture; (c)horizontal texture

除采用上述方法進(jìn)行閥門泄漏率預(yù)測(cè)外,也有研究者將閥門密封的2個(gè)接觸面形成的區(qū)域視為具有微孔隙的多孔介質(zhì)模型，通過(guò)分形模型建立了密封載荷與微孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，將滲流力學(xué)引入泄漏機(jī)制研究[30-31]，以函數(shù)關(guān)系的形式建立泄漏通道與泄漏量之間的關(guān)系式，描述界面微孔結(jié)構(gòu)對(duì)流體滲流的影響，給出了孔隙數(shù)、孔隙度、分形維數(shù)和流體滲透率隨液體壓力的變化規(guī)律[32-33]，并進(jìn)行橡膠密封件泄漏率預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得較好的精度[34-35]。

目前，閥門密封泄漏預(yù)測(cè)模型研究的主要問題是精度還不夠，尤其是基于N-S方程推導(dǎo)的泄漏模型存在較大誤差?，F(xiàn)階段，通過(guò)泄漏預(yù)測(cè)模型主要是定性分析某些參數(shù)的影響，更精準(zhǔn)的密封泄漏預(yù)測(cè)需要結(jié)合粗糙表面的接觸理論與滲透力學(xué)?？傮w來(lái)說(shuō)這方面研究工作還有很長(zhǎng)的路要走。

2.4 閥門密封熱固耦合研究

溫度的急劇變化，會(huì)在不同程度上降低閥門的密封性能。其根本原因是在高、低溫閥門中，溫度變化會(huì)導(dǎo)致密封部件產(chǎn)生熱變形。熱變形受到某些約束時(shí)，如位移約束或者相反的壓力作用，就會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力，溫度梯度越大的區(qū)域產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)顯著改變密封端面比壓，對(duì)密封性能產(chǎn)生很大的影響。

因此，有必要對(duì)高、低溫閥門進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，研究其最大應(yīng)力及變形出現(xiàn)的位置并確定熱應(yīng)力和變形的分布范圍，以保證密封部件不發(fā)生能引起泄漏的嚴(yán)重變形。對(duì)此，許多學(xué)者采用熱固耦合的方法對(duì)閥門密封進(jìn)行研究，研究高溫、高壓、升溫速率等對(duì)密封性能的影響，如表2所示。

表2 閥門密封熱固數(shù)值耦合研究典型案例Table 2 Typical case study of thermo solid coupling about valve sealing

盡管采用數(shù)值模擬方法對(duì)高、低溫閥門密封性能進(jìn)行研究具有效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究往往能反映密封材料在高、低溫下真實(shí)特性。張希恒和周璟瑩[41]結(jié)合超低溫閥門使用條件，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了6個(gè)溫度下的PCTFE力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其可以用作低溫閥門密封材料使用。張寧等人[42-43]對(duì)比分析了采用不同軟密封材料的低溫閥在常/低溫、低/中壓工況下的密封性能以及應(yīng)用特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在低溫工況下，采用PEEK軟密封材料的低溫閥閥座具有相對(duì)較高的密封性能和穩(wěn)定性。

總體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)研究是最直觀可靠地檢驗(yàn)高、低溫閥門密封性能的研究手段，但若還原實(shí)際工況條件，實(shí)驗(yàn)成本高昂，因此，類似于上述的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)應(yīng)在未來(lái)的研究中應(yīng)引起關(guān)注。同時(shí)，由于熱固耦合數(shù)值模擬研究具有成本低的優(yōu)勢(shì)，其在未來(lái)的高、低溫閥門密封性能研究中會(huì)起到主流作用。

3 閥門密封損傷研究

3.1 密封汽蝕損傷研究

閥門汽蝕發(fā)生在壓差較大的工況中，工作介質(zhì)流過(guò)閥芯與閥底的節(jié)流面處流速增大，壓力迅速降低形成氣泡，介質(zhì)里的氣泡由于壓力恢復(fù)產(chǎn)生爆裂，從而造成局部液壓沖擊，導(dǎo)致密封表面的腐蝕和點(diǎn)蝕。為此，劉麗莉[44]研究了高壓差工況下閥門抗汽蝕沖刷的能力以及介質(zhì)通過(guò)閥門的流動(dòng)狀態(tài)。此外，閥門的結(jié)構(gòu)形式也會(huì)對(duì)密封面的損傷造成影響，對(duì)于流開型閥門，汽蝕和沖蝕主要作用在密封面上，對(duì)閥芯與閥座的密封面造成破壞；對(duì)于流閉型閥門，汽蝕發(fā)生在節(jié)流之后，對(duì)閥門密封面的性能影響較小。

優(yōu)化閥門內(nèi)部參數(shù)也是抑制或避免汽蝕對(duì)密封面損傷的重要方式，特別對(duì)于閥芯的優(yōu)化。例如，HE等[45]對(duì)錐形節(jié)流閥閥芯影響汽蝕開展研究，發(fā)現(xiàn)減小閥芯錐角有利于節(jié)流閥的抗汽蝕和抗沖蝕，如圖5所示。XU等[46]對(duì)水壓安全閥的閥芯設(shè)計(jì)和閥座非光滑溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化優(yōu)化。

圖5 節(jié)流閥在不同出口壓力下的空化現(xiàn)象[45]Fig 5 Cavitation phenomena of throttle valve under different outlet pressures [45](a) numerical results；(b) experimental results

當(dāng)下對(duì)汽蝕的影響研究主要關(guān)注點(diǎn)在閥芯部件，單單對(duì)密封汽蝕損傷的研究較少，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)該方面的研究。此外，未來(lái)減少汽蝕對(duì)閥門密封面影響的研究工作應(yīng)在于發(fā)展汽蝕判別方法，選擇適合的技術(shù)方案設(shè)計(jì)，避免汽蝕發(fā)生，以及通過(guò)優(yōu)化分析減小汽蝕對(duì)密封面的影響。

3.2 密封沖蝕損傷研究

在混合介質(zhì)傳輸過(guò)程中，顆粒沖刷會(huì)對(duì)閥門密封產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖蝕效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致密封失效，LIU等[47]通過(guò)數(shù)值模擬分析了蝶閥氣蝕與顆粒沖蝕，結(jié)果表明，蝶閥的沖蝕主要發(fā)生在閥瓣的前后部，包含閥門密封面。此外，高溫高壓汽包連排閥閥座密封面容易出現(xiàn)許多被介質(zhì)沖刷的深溝[48]，如圖6所示。因此，對(duì)于輸送含顆粒閥門有必要分析其流場(chǎng)特性和沖蝕特性。

圖6 蝶閥沖蝕損傷圖(a)[47]與閥座密封面(b)[48]Fig 6 Erosion damage diagram of butterfly valve(a)[47] and valve seat sealing surface(b)[48]

有研究工作者對(duì)閥門的閥芯和閥體尺寸等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，選擇最佳的腔室尺寸來(lái)改變顆粒沖擊，來(lái)達(dá)到減少?zèng)_蝕的目的。WANG等[49]基于侵蝕模型和響應(yīng)面方法，采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)閥蓋長(zhǎng)度、閥蓋外半徑、閥室內(nèi)徑等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

介質(zhì)速度、顆粒粒徑、顆粒含量以及閥門開度等介質(zhì)參數(shù)對(duì)沖蝕的影響也較大，ZHENG等[50]發(fā)現(xiàn)高速流動(dòng)和顆粒侵蝕會(huì)導(dǎo)致軸流調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏和流量抑制，并且隨著閥門開度的增大，嚴(yán)重腐蝕區(qū)域?qū)臄D壓邊緣向擠壓件中心移動(dòng)。ZHANG等[51]對(duì)箭型止回閥液固兩相流沖蝕進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與進(jìn)口速度相比，顆粒流量和顆粒直徑對(duì)沖蝕的影響較小。ZHANG等[52]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究氣體顆粒兩相流動(dòng)，改變閥開度、顆粒直徑和顆粒質(zhì)量流量，研究了顆粒氣體在閥內(nèi)的流動(dòng)及其沖蝕特性。ASKARI和JOZAEI[53]采用數(shù)值模擬研究不同工況下工業(yè)球閥開度和顆粒濃度對(duì)減壓站球閥沖蝕損傷影響。

目前，對(duì)沖蝕的影響研究主要集中在閥門內(nèi)部件的損傷，對(duì)于閥門密封的失效影響關(guān)注不夠。

3.3 密封沖擊磨損研究

在閥門的快速啟閉過(guò)程中，密封面會(huì)受到過(guò)快的沖擊損傷，如三偏心蝶閥常常執(zhí)行快速啟閉功能，不成功的三偏心蝶閥設(shè)計(jì)通常會(huì)導(dǎo)致閥瓣與閥體發(fā)生干涉，使密封接口處發(fā)生沖擊損傷，從而影響閥門的密封性能。KAN等[54]導(dǎo)出了三偏心蝶閥中密封副干涉的計(jì)算公式，描述了軸向偏移、徑向偏移和偏心角3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)密封性能的影響。

此外，密封界面長(zhǎng)期相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)造成的摩擦磨損也是對(duì)閥門密封性能的極大考驗(yàn)。密封磨損量受許多因素影響，包括磨損副的硬度相互匹配，材料的耐磨性，密封副的加工工藝等，PROKOPOVICH等[55]發(fā)現(xiàn)球形密封的形狀會(huì)對(duì)磨損率產(chǎn)生影響，合理設(shè)計(jì)密封面形狀可以獲得接觸壓力高磨損率低的閥門密封。FORSBERG等[56]模擬試驗(yàn)臺(tái)閥門密封界面滑動(dòng)行為，研究接觸角、接觸長(zhǎng)度、閥頭厚度、摩擦因數(shù)等不同參數(shù)對(duì)滑動(dòng)摩擦的影響。BELFORTE等[57]提出了應(yīng)用于商用氣動(dòng)滑閥密封件的設(shè)計(jì)，開發(fā)一種能夠在干燥狀態(tài)下工作緊湊的低摩擦密封。浙江大學(xué)特種控制閥研究團(tuán)隊(duì)，提出一種減磨損的閥門密封結(jié)構(gòu)及其方法[58]，提高密封性的同時(shí)能減小動(dòng)作下摩擦磨損的影響。

閥門密封的沖擊與磨損是閥門長(zhǎng)期運(yùn)行下通常的密封失效形式。對(duì)于密封的沖擊損傷研究，當(dāng)下主要針對(duì)是蝶閥，未來(lái)應(yīng)針對(duì)其他類型的快開閥門開展相關(guān)研究。而對(duì)于密封磨損研究，未來(lái)發(fā)展方向應(yīng)借鑒摩擦學(xué)相關(guān)理論，通過(guò)改變摩擦界面的潤(rùn)滑狀態(tài)與發(fā)展耐磨損的動(dòng)密封材料等措施減少磨損。

3.4 密封材料工藝研究

除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，密封材料也是密封性能研究的重要方面。不銹鋼波紋管密封閥是輸送腐蝕性介質(zhì)的一種典型結(jié)構(gòu)，對(duì)密封面進(jìn)行防腐蝕保護(hù)的波紋管的防腐蝕能力決定閥門的使用壽命。MUSTARI和TAKAHASHI[59]對(duì)波紋管密封閥的波紋管在350～500 ℃下進(jìn)行了約1 500 h的低周疲勞的腐蝕斷裂行為觀察，如圖7所示。

圖7 不銹鋼波紋管(a)及其密封閥示意(b)、波紋管腐蝕圖(c)[59]Fig 7 Schematic of bellow(a),bellow-sealed valve(b)， corrosion diagram of bellow(c)[59]

在石油化工和核工業(yè)閥門應(yīng)用領(lǐng)域，為提高防腐蝕性能，涂層防護(hù)是密封面防腐的重要形式，如316L型奧氏體不銹鋼密封面必須采用鎢鉻鈷合金等離子熔覆層進(jìn)行防腐蝕保護(hù)，提高密封的使用壽命。密封面的修復(fù)材料也是提高防腐蝕性能的研究切入點(diǎn)，如研究電火花沉積鎢鉻鈷合金涂層進(jìn)行密封面熔覆涂層的修復(fù)[60]。此外，為了避免鈷基合金的活化輻射，也有研究工作者進(jìn)行核閥密封面激光熔覆無(wú)鈷鐵基合金粉末的替代研究[61]。

對(duì)于密封材料及涂層的研究不僅體現(xiàn)在提升密封面的抗腐蝕性能，也有研究者在尋找綜合性能更優(yōu)的密封材料。SHI等[62]研制了一種無(wú)鈷鎳基合金(Ni-SD)，其顯微硬度不僅高于目前核動(dòng)力閥門用鈷基合金的硬度，還具有高耐磨性和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。DING等[63]進(jìn)行控制閥閥座密封面激光熔覆鎢鉻鈷合金混合堆焊，其比鎢鉻鈷合金6堆焊具有更高的性能。MNIF等[64]在PTFE基體中加入顆粒填料可以穩(wěn)定PTFE復(fù)合材料表面的轉(zhuǎn)移膜，從而降低了PTFE復(fù)合材料的磨損。

綜上可知，針對(duì)閥門密封損傷的各個(gè)方面，眾多研究人員都在對(duì)材料開展相關(guān)研究，主要通過(guò)對(duì)材料的改進(jìn)以及尋找新的替代材料，獲得更優(yōu)的密封性能。

4 結(jié)論與展望

總結(jié)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)各類閥門密封性能的相關(guān)研究，如閥門密封接觸特性相關(guān)研究，包括比壓計(jì)算、接觸泄漏模型以及熱固耦合分析；閥門長(zhǎng)期運(yùn)行下的汽蝕、沖蝕等損傷研究；結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)以及閥門材料及工藝的研究等，得出以下結(jié)論與展望：

(1)完善閥門密封接觸理論與泄漏預(yù)測(cè)理論：在閥門密封接觸特性的研究方面，對(duì)于密封通道接觸以及密封泄漏預(yù)測(cè)理論的研究還處于初始階段，當(dāng)下面臨準(zhǔn)確性不足以及數(shù)值計(jì)算資源消耗比較大等問題，對(duì)于實(shí)際的工程應(yīng)用還存在較大差距。但隨著這方面研究的發(fā)展，相信會(huì)對(duì)提升閥門密封性能產(chǎn)生重要意義。

(2)強(qiáng)化高參數(shù)工況下閥門密封的熱固耦合計(jì)算：由于目前高端閥門向高溫高壓、大流量、大減壓比等嚴(yán)苛工況發(fā)展，顯著地提高了對(duì)閥門密封性能的要求。鑒于時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本的限制，預(yù)計(jì)密封的熱固耦合協(xié)同計(jì)算是今后的重要發(fā)展方向。

(3)基于多種方法開展密封損傷因素的耦合研究：閥門密封損傷主要的形式有汽蝕、沖蝕、磨損、腐蝕、沖擊等。因此，影響閥門密封性能的因素很多，且各種因素相互影響，相互促進(jìn)，例如，密封的沖蝕損傷會(huì)加劇腐蝕磨損等損傷。未來(lái)應(yīng)基于多種方法開展耦合研究，綜合準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)閥門密封的損傷，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、介質(zhì)參數(shù)等減少閥門密封損傷的影響。

(4)推動(dòng)高性能密封材料的研究：隨著高端閥門的應(yīng)用工況越來(lái)越嚴(yán)苛，提升閥門密封性能不能僅局限在結(jié)構(gòu)優(yōu)化，還應(yīng)加強(qiáng)高性能密封材料的研究。推動(dòng)高性能密封材料的研究也是未來(lái)提高密封性能重要途徑之一。