閥門動密封的常用結(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)動機構(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，間接促進了閥門行業(yè)的高速前進。閥門在大型化、高參數(shù)化、高性能、自動化發(fā)展進程中存在諸多問題，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。分別從材料開發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封性能3個方面歸納了當(dāng)前閥門密封的研究內(nèi)容，對閥門密封的發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：閥門動密封；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運動，閥門密封又分為動密封和靜密封：靜密封通常都屬于接觸密封，動密封既有屬于接觸型的，也有非接觸型。閥門通常有兩個部位需用到動密封結(jié)構(gòu)，一是閥座、活閥處的密封，另一是運動桿導(dǎo)向密封。閥門動密封是閥門設(shè)計的關(guān)鍵點也是難點，其泄漏會影響系統(tǒng)的正常運行，造成較大的經(jīng)濟損失，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，各種閥門對其動密封結(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 常見閥門動密封分析

2.1 形圈動密封結(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：

（1）功防止出現(xiàn)擰扭和擠壓現(xiàn)象。密封件可能會由于壓力問題從縫隙中擠出，特別是因為沖擊壓力讓液壓缸產(chǎn)生變形導(dǎo)致間隙增大時，密封件就會從縫隙中擠出導(dǎo)致壓力消失，這時候就會引起全周擠裂而造成漏液，嚴(yán)重的甚至?xí)斐墒鹿省Ｒ虼耍褂?形圈時必須考慮靜態(tài)壓力和受壓缸體的變形影響，同時，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，如果是軸向密封，必定會造成漏液現(xiàn)象。如果是以拉伸狀態(tài)安裝0形圈時，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，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、下垂、部分吸入或擠出。

2.2 填料動密封結(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)壓蓋螺紋對它作軸向壓縮，由于填料的可塑性，在軸與填料相對運動過程中使填料產(chǎn)生徑向力，并與軸緊密接觸。同時，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。

對于填料動密封技術(shù)要注意以下幾點：

（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)對填料函、閥桿腐蝕形成的凹坑而產(chǎn)生的泄露問題，必須對填料函和閥桿進行防腐處理，如電鍍處理或選用不銹鋼材質(zhì)都是不錯的選擇。

（3）填料要定期更換。填料在運行過程中會受到侵蝕、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)動密封和填料動密封技術(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，上述機械式動密封技術(shù)就無法達到零泄漏的密封要求，而金屬波紋管動密封技術(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金屬波紋管動密封技術(shù)的研究和應(yīng)用。

金屬波紋管動密封技術(shù)是通過金屬波紋管組合件來實現(xiàn)動密封作用的，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度，在組合件與閥門投一起移動時進行拉伸或壓縮，從而阻斷介質(zhì)腔和氣控腔的泄露。在閥頭移動的全過程中，依靠金屬波紋管動密封實現(xiàn)運動副之間無摩擦、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氫弧焊焊接、錫焊焊接、電子束焊焊接等技術(shù)手段實現(xiàn)連接。金屬波紋管動密封技術(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既能壓又能拉的雙向機械彈簧，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內(nèi)容。

隨著市場對專業(yè)化、特殊化閥門的要求越來越高，單獨的新材料開發(fā)、密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計與改進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，未來的研究將會重點圍繞三者的綜合開發(fā)，在新材料的基礎(chǔ)上設(shè)計更優(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化是管道運輸發(fā)展的必然趨勢，相應(yīng)的自動化閥門密封研究也是未來發(fā)展一個重要趨勢。

4 結(jié)語

閥門的主要工作原理是閥瓣相對閥座運功從而實現(xiàn)閥門的開關(guān)調(diào)節(jié)功能，而這個相對運動的其中一種技術(shù)手段就是運用動密封結(jié)構(gòu)來保證閥門相對運動中的可靠密封和動作。閥門動密封技術(shù)是閥門設(shè)計的一個重難點，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與否以及材料的選擇都會對間門的動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密封技術(shù)所采用的結(jié)構(gòu)、材料及特性，以期為閥門動密封新技術(shù)的研究提供參考。

參考文獻：

[1] 劉德鑫.淺析電站閥門的密封性能[J].商品與質(zhì)量，2017（16）.

[2] 陳松.閥門密封性分析及防護措施[J].內(nèi)燃機與配件，2018（2）：235～236.