安全閥關閉件表面粗糙度對密封性能影響研究*

郭愛民 張學輝 朱海清

(江南大學機械工程學院)

安全閥是鍋爐、壓力容器及壓力管道等承壓類設備上安裝的一種超壓保護裝置，是承壓類設備上的安全附件之一。安全閥關閉件(閥座與閥瓣)是保證安全閥正常工作的核心零部件，其密封形式主要是金屬對金屬密封[1]。安全閥經過一段時間的使用，其密封端面會由于沖蝕和氣蝕、腐蝕、擦傷和磨損造成失效。安全閥校驗時，對關閉件密封面進行修復是其中一個重要環節，對確保安全閥的密封性能起著決定性作用。

目前，對安全閥閥瓣與閥座密封面研磨維修的質量控制主要依據經驗進行判斷，對修復人員素質要求較高且工作效率低。修復后的安全閥需在安全閥離線校驗臺上進行密封性能試驗，通過測定在密封壓力下的泄漏速率來判定其是否合格。一旦不合格，就需要將安全閥重新拆解進行研磨修復。因此，建立安全閥關閉件表面粗糙度與泄漏速率之間的關系，為其研磨維修制定一個客觀的判別標準，對確保安全閥的維修質量、提高工作效率有重要的意義。筆者以金屬實際接觸情況為研究對象，建立密封端面接觸微觀三維流體通道，并用Fluent軟件對不同工作壓力、表面粗糙度下的泄漏情況進行模擬仿真。

1 金屬接觸密封模型

當前對于金屬接觸密封的研究多是將金屬接觸的兩個粗糙表面近似視為粗糙表面與理想光滑平面的接觸(圖1)，利用數學手段[2～5]或試驗手段[6,7]來研究其密封性能。然而實際上金屬密封是兩個粗糙表面的接觸，波峰與波谷大量錯綜復雜的接觸交錯并產生形變(圖2)，關于此類接觸模型下的密封性能研究較少。

圖1 粗糙表面與理想光滑平面接觸

圖2 實際粗糙表面間接觸

2 安全閥關閉件結構及表面三維模型

圖3所示為安全閥關閉件結構簡圖。

圖3 安全閥關閉件結構簡圖

自相關函數(ACF)描述的是一個時間的隨機函數對另一個隨機函數的依賴關系。早在1957年，指數-余弦的自相關函數就被證實能夠很好地表達實際工程中的許多隨機現象，且研究發現許多工程表面在微觀尺度上的表面輪廓具有指數自相關函數關系[8，9]，自相關函數能夠有效地反應工件表面的紋理信息，能夠從空間上描述隨機粗糙表面的特征。

筆者是通過基于AR模型的二維數字濾波技術[10]生成指定自相關函數的粗糙表面。首先利用計算機軟件產生一個高斯分布的白噪聲二維隨機序列，計算傅里葉變換A(ωx,ωy)；然后根據自相關函數R(τx,τy)=σ2exp(-2.3((τx/βx)2+(τy/βy)2)1/2)，通過傅里葉變換得到輸出序列的功率譜密度C，同時確定輸入序列的功率譜密度C；最后計算濾波器的傳遞函數：

H(ωx,ωy)=(Gz(ωx,ωy)/C)1/2

計算輸入高斯序列經二維濾波器后輸出序列的傅里葉變換Z(ωx,ωy)：

Z(ωx,ωy)=H(ωx,ωy)A(ωx,ωy)

對Z(ωx,ωy)進行傅里葉逆變換得到粗糙表面的高度分布(圖4)，將所得的粗糙表面高度分布轉換為三維實體，得到金屬表面接觸模型(圖5)。

圖4 微觀三維表面

圖5 金屬表面接觸模型

3 密封性能影響分析

3.1基本假設

基于流體力學的基本理論，同時考慮到安全閥密封系統本身結構，對密封面間介質流動流場分析時做如下假設：Kn=λ/h0<0.01 ，其中Kn為克努森數，故可以認為密封面間介質流動屬于連續介質流動；密封面間介質做層流運動，流動無漩渦及紊流，且符合牛頓粘性定律，屬于牛頓流體，剪應力與速度梯度成正比；密封面間介質層很薄，在厚度方向的介質壓力與密度保持恒定。

安全閥密封面為圓環狀，對此做如下假設：圓環上表面狀況處處相等；圓環所受壓力均勻分布；相接觸的兩表面輪廓中線相互重合。

3.2有限元模型

圖6、7分別為安全閥密封面的計算區域及介質流道三維模型。安全閥密封面為圓環狀，介質泄漏流經區域為密封面兩端面間的間隙區域，由于流場是沿密封環面由內向外軸對稱的，則理論上密封環上各區域的流場是相同的，因此選取安全閥密封環面其中一段dr將其視為長方形區域作為計算區域建立模型，根據上節所述方法將得到的Matlab數據導入到AutoCAD生成三維實體模型，再經進一步處理，將得到密封面間三維流道作為研究對象。

圖6 密封環計算區域

圖7 密封面間介質流道三維模型

模型的網格劃分是一個難點，由于流道形狀極不規則，存在大量交叉畸變，導致使用Ansys Workbench前處理直接生成的網格質量較差。若網格尺寸設置過小則導致網格數量巨大(幾百萬個計算單元)，對計算機的性能要求較高。解決對策：將計算區域使用slice工具切塊分成多個子區域，分別每個子區域使用patch independent模式進行網格劃分；通過多次設置網格大小，在滿足計算需求又能保證網格質量的情況下選取最優網格大小。圖8所示為計算區域的網格劃分。

圖8 計算區域網格劃分

3.3密封性能分析

圖9所示為不同表面粗糙度、不同工作壓力下安全閥關閉件的泄漏速率。可以看出，當工作壓力為0時，不同的表面粗糙度對密封性能的影響并不大；隨著工作壓力的增大，不同表面粗糙度情況下的泄漏速率均明顯增大。對于金屬對金屬密封來說，不同的表面粗糙度對泄漏速率的影響非常顯著，表面粗糙度為Ra0.8時，泄漏速率過大，難以有效密封；當表面粗糙度達到Ra0.025時，密封性能才得到有所改觀。

圖9 表面粗糙度對密封性能的影響

4 結束語

由于氣體介質的滲透性，利用密封面金屬的彈性變形來達到絕對的密封是很難保證的，但此泄漏量只要能得到有效控制使之符合國標中關于安全閥密封性能試驗的相關要求即可認為密封性能合格。為使安全閥達到更好的密封性能，一方面須要對加工條件提出嚴格的要求，即關閉件密封端面表面粗糙度至少要達到Ra0.025，另一方面可以嘗試在密封表面加入其作用相當于橡膠等軟墊片的粘性密封液來得到可靠的密封。

[1] T.Φ.康德拉契娃著,黃光禹譯.安全閥[M].上海：上海科學技術出版社，1982：140.

[2] 馮秀，顧伯勤.金屬墊片泄漏模型理論研究[J].潤滑與密封，2006，(8)：78～80.

[3] 陸鋒，宋麗榮. 法蘭與金屬墊片密封表面接觸分形模型[J].南京工程學院學報(自然科學版)，2008，6(2)：26～31.

[4] 馮秀，陸鋒.基于分形理論的粗糙密封表面接觸模型[J].蘇州大學學報(工科版)，2008，28(3)：29～33.

[5] 馮秀，顧伯勤.金屬墊片密封泄漏模型試驗研究[J].潤滑與密封，2008，(9)：48～50.

[6] 周先軍.非金屬墊片分形泄漏模型理論分析[J].化工機械，2011，38(2)：193～185.

[7] 劉姝娟，金滔，湯珂，等.銦絲密封件低溫密封性能實驗研究[J] .低溫工程，2013，(1)：7～10.

[8] Bendat J S．Principles and Applications of Random Noise Theory[M]．New York：Wiley，1958．

[9] Tom R Thomas．Rough Surfaces[M]． London：Imperial College Press，1999．

[10] 陳輝，胡元中，王慧，等.粗糙表面計算機模擬[J].潤滑與密封，2006，(10)：52～55.