暗桿式平行閘板閥閥桿密封分析

摘 要：通過對現有一種暗桿式平行閘板閥U形閥桿密封的有限元分析，發現存在殼體和填料分離、殼體擠裂的隱患，而且摩擦扭矩較大，為此，提出用金屬彈簧密封圈替換現有的閥桿密封，從原理上可以有效地解決目前閥桿密封存在的問題。

關鍵詞：閘板閥 閥桿密封 金屬彈簧密封圈

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0078-02

閘板閥密封主要有閥座與閘板之間的密封、襯套與閥座和襯套與閥體之間的密封以及閥桿密封。閥桿帶動閘板使閥門開啟和關閉，是可動件，也是最易產生外漏的部位，必須保證閥桿密封的可靠性。

1 閘板閥閥桿密封的服役條件和技術要求

圖1為一種暗桿式平行閘板閥，其中閥桿密封12是一種U形填料密封，如圖2所示。其外殼為聚四氟乙烯塑料，U型腔內填充氟橡膠，氟橡膠與殼體之間用TS-2塑料膠粘劑填實粘牢。

安裝時填料密封12與閥桿7的外徑和閥蓋9的內孔都有預壓縮量，其截面壓縮量為12.5%。初始密封即低壓密封就是靠填料密封的預壓縮量實現的。

閘板閥關閉時，在高壓作用下，閥腔中會充滿介質，從而對填料密封的底部作用很高的壓力，從而使密封外殼更加貼緊相對的密封面，從而保證閥桿的高壓密封。

一般閘板閥是常開或常閉的，在特定情況下需要關閉或打開閥門，因此要求手動閘板閥的啟閉扭矩小于180 Nm。

U型閥桿填料密封外殼采用聚四氟乙烯塑料，與鋼件形成密封副，摩擦系數小，可以有效降低摩擦扭矩；填料采用氟橡膠，依靠其高彈性能，保證填料密封的密封性能。

2 閘板閥閥桿密封受力分析

2.1 閘板閥密封安裝分析

圖3是閘板閥閥桿密封的安裝簡圖。閘板閥閥桿密封的安裝過程如下：把U型填料密封（4和5的組合體）套在閥桿2上，再把閥桿2與閘板（圖中未畫）連接好，然后用密封壓蓋6將U型填料密封壓入閥蓋3中。

閥桿密封安裝到位后的閥桿密封的變形和應力分布。圖中顯示閥桿密封在安裝中，外殼受到擠壓作用，填料被擠出，如果填料和外殼粘結不好，就有可能與外殼分離；外殼內圓的底部所受的拉應力為20 MPa，該處有可能發生撕裂；同時填料密封與閥桿的預壓縮量為4.7%，與閥蓋孔的預壓縮量為3.5%，兩者壓縮量不一致，導致密封發生圖中所示的扭轉。

（圖4）為閥桿密封安裝到位后閥桿密封面的接觸應力。圖中顯示密封接觸壓力大于6 MPa，在無壓情況下足以滿足密封要求。

2.2 閘板閥承受介質壓力70 MPa時閥桿密封分析

圖5為介質壓力70 MPa時閥桿密封的變形和應力分布。圖中顯示在密封內孔的上邊緣，外殼收到嚴重的擠壓；整個密封包括填料和外殼均只受壓應力作用，最大壓應力為70 MPa，位于密封外殼的外緣靠近底部處，該處可能發生擠壓破壞。

圖6為介質壓力70 MPa時閥桿密封的接觸應力分布。圖中顯示在密封不發生損壞的情況下，密封與閥桿接觸面的接觸應力為69.5～75 MPa，密封與閥蓋接觸面的接觸應力為62～75 MPa，可以滿足密封要求。

通過以上分析，從理論上得出如下結論：（1）在密封圈不發生撕裂、擠毀損壞的情況下，其接觸應力可以滿足密封要求；（2）在密封圈安裝到位后，外殼內圓的底部拉應力最大，有可能發生撕裂；在介質壓力達到70 MPa時，外殼的外緣靠近底部處壓應力最大，可能發生擠壓破壞；（3）在密封圈安裝過程中，填料從U型外殼中擠出，可能與外殼分離；在介質壓力達到70 MPa時，外殼內孔的上邊緣受到嚴重擠壓，可能發生破壞。

3 閥桿密封扭矩分析

閘板閥啟閉扭矩最大時的位置在閘板接近完全關閉或閘板剛打開處，此時的扭矩包括閥桿與閥桿密封之間的摩擦扭矩、閥桿螺紋與閘板螺紋之間的摩擦扭矩。

對閥桿與閥桿密封之間的摩擦扭矩進行了計算。計算結果是當密封壓力為70 MPa，閥桿密封外殼與閥桿的動摩擦系數為0.1時，閥桿與閥桿密封的摩擦扭矩是105 Nm，換算到手輪處，需403.5 N的力。考慮到還要加上閥桿螺紋與閘板螺紋之間的摩擦扭矩，特別是閘板單向受壓力作用后發生橫向位移，還會導致閥桿與閘板連接螺紋摩擦扭矩增大，此時，總的閥桿扭矩可能大于規定值180 Nm。現場也反映該閥的啟閉扭矩大，要求改進。

4 閥桿密封改進方案

目前閘板閥閥桿密封存在外殼破裂、摩擦扭矩大等諸多問題，為解決上述問題，提出采用金屬彈簧密封圈替代現有的閥桿U型填料密封。

該密封是一種改進的Y型密封，開口面向高壓側，壓力越高，密封力越大，其主材為高性能填充聚四氟乙烯，材料強度高，承壓能力強。

該密封由多個小凸起與閥桿接觸形成密封，接觸面積小，加之密封材料極低的摩擦系數，可以顯著減小閥桿與密封的摩擦扭矩。

此外，該密封還配置Elgiloy或優質不銹鋼合金彈簧作為初始壓縮彈性補償源，初始密封力由金屬彈簧提供可以滿足低壓密封；隨閥體中介質壓力的升高，密封材料填充聚四氟乙烯被擠向配合面，密封材料與閥桿和閥蓋內孔之間接觸應力增加，從而保證有效密封。

5 結語

目前在用的一種暗桿式平行閘板閥閥桿U形密封存在以下失效隱患：安裝時，填料可能與外殼分離；外殼內圓可能撕裂；在介質壓力達到70 MPa時，外殼內孔的下邊緣可能發生擠壓破壞；而且該密封與閥桿的接觸面積大，摩擦扭矩大，分析結果與現場使用吻合。

金屬彈簧密封是一種改進的Y型密封，配置金屬彈簧，可以滿足閘板閥的高低壓密封要求，而且該密封與閥桿的接觸面積小，可以顯著降低閥桿啟閉扭矩，提高閘板閥操作性能。

參考文獻

[1] 專利CN202215183，一種油井專用U型盤根[P].

[2] 專利CN201884690，一種超高壓平板閘閥[P].