儀表閥門(mén)密封分析與計(jì)算

（浙江鋒源儀表有限公司，浙江富陽(yáng) 311400）

目前儀表閥門(mén)被廣泛應(yīng)用于化工、天然氣、醫(yī)療等各行各業(yè)的管道運(yùn)輸中，它通常與儀器儀表進(jìn)行配對(duì)使用。儀器儀表用于對(duì)系統(tǒng)中管道信號(hào)的讀取，儀表閥門(mén)是一種管路附件，主要是用來(lái)改變通路斷面和介質(zhì)流動(dòng)方向，控制輸送介質(zhì)流動(dòng)。而儀表閥門(mén)的密封性是指儀表閥門(mén)對(duì)于管道中運(yùn)輸物質(zhì)的阻斷能力，它是儀表閥門(mén)最基礎(chǔ)也是最重要的技術(shù)指標(biāo)。而且隨著工業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)于儀表閥門(mén)密封性等綜合性的要求越來(lái)越高，不僅需要它的密封性很好，還需要它具有高安全性、高穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。所以現(xiàn)在的制造企業(yè)會(huì)將儀表閥門(mén)進(jìn)行集成小型化來(lái)使它的造價(jià)更便宜，同時(shí)使用更好的材料和設(shè)計(jì)來(lái)使儀表閥門(mén)的密封性更好更穩(wěn)定，同時(shí)企業(yè)也在進(jìn)行更多的研究和實(shí)驗(yàn)計(jì)算，以求得到更加豐富的數(shù)據(jù)去進(jìn)行儀表閥門(mén)密封性的研究[1-2]。

1.密封填料的受力分析

目前市場(chǎng)上的大部分儀表閥門(mén)填料密封結(jié)構(gòu)都和圖1所示相差不大，它主要利用工作人員在進(jìn)行填料螺母轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，使其作用力作用到密封填料上面，使填料被擠壓變形，從而消除填料與閥桿、填料函之間的間隙，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)儀表閥門(mén)的密封。同時(shí)在填料被擠壓的這個(gè)過(guò)程中就產(chǎn)生了軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，使得儀表閥門(mén)里面產(chǎn)生一定得密封比壓，通過(guò)這個(gè)密封比壓使閥門(mén)密封，是得密封性能更好，填料應(yīng)力狀態(tài)如圖2所示。當(dāng)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的加工工藝可以使得密封填料內(nèi)外圓同心，通過(guò)仿真的分析可以得到以下的數(shù)據(jù)，填料在軸向應(yīng)力P的作用下產(chǎn)生的徑向應(yīng)力PX是非線性的，同時(shí)引入一個(gè)系數(shù)Y，使得計(jì)算中的PX/P=Y。當(dāng)儀表在沒(méi)有受到任何外界沖擊和熱能等外界因素的影響時(shí)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生其他的應(yīng)力和能量損耗。在這樣的條件下，填料截面在受力平衡后，通過(guò)系統(tǒng)受力分析可得軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力隨著填料的長(zhǎng)度而減小，見(jiàn)圖3。而儀表閥門(mén)在工作壓力范圍內(nèi)，壓力越大，密封性能越好，使用就需要填料的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。

圖1 儀表閥門(mén)填料密封示意圖

圖2 填料應(yīng)力狀態(tài)圖

圖3 徑向應(yīng)力示意圖

圖1中1是填料螺母，2是閥桿，3是密封填料，4是閥蓋，D1和D2分別是填料外徑和填料內(nèi)徑。H是填料的軸向長(zhǎng)度。P 是指軸向應(yīng)力。f1是填料與填料函（閥蓋）的摩擦系數(shù)，f2是填料與閥桿的摩擦系數(shù)。

2.影響密封能力變化的因素

當(dāng)我們給予密封填料一個(gè)初始的壓力的時(shí)候，起到密封作用的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力會(huì)因?yàn)樘盍陷S向長(zhǎng)度的變成長(zhǎng)而衰減，這樣就會(huì)導(dǎo)致填料密封能力的減弱，降低儀表閥門(mén)的密封能力。而且影響儀表閥門(mén)密封能力還有填料內(nèi)徑和外徑大小、填料與填料函的摩擦因數(shù)、填料與閥桿的摩擦因數(shù)等因素有關(guān)。當(dāng)填料與填料函的摩擦因數(shù)、填料與閥桿的摩擦因數(shù)增加以后，會(huì)使填料中的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力降低，從而影響儀表的密封能力。并且因?yàn)樘盍贤鈴胶吞盍蟽?nèi)徑的比值是大于一的，因此填料與閥蓋的摩擦系數(shù)對(duì)于軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的影響要明顯大于填料與閥桿的摩擦系數(shù)對(duì)于軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的影響。當(dāng)填料與閥蓋的摩擦系數(shù)大于填料與閥桿的摩擦系數(shù)的時(shí)候，填料外徑和填料內(nèi)徑的比值越大，徑向應(yīng)力降低得越快，這樣的情況下儀表閥門(mén)的密封性就會(huì)變得更差。當(dāng)填料與閥蓋的摩擦系數(shù)小于填料與閥桿的摩擦系數(shù)的時(shí)候，填料外徑和填料內(nèi)徑的比值越大，徑向應(yīng)力降低得慢，對(duì)于儀表閥門(mén)的密封性更加有利。PX/P=Y中的Y值對(duì)于徑向應(yīng)力的影響是矛盾的，在摩擦系數(shù)f1和f2以及填料外徑和填料內(nèi)徑均在固定的設(shè)計(jì)值下的時(shí)候，要是徑向應(yīng)力達(dá)到最大，就有一個(gè)最合適的Y值。但是在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，填料外徑和填料內(nèi)徑是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定的，而填料與填料函（閥蓋）的摩擦系數(shù)于填料與閥桿的摩擦系數(shù)是由材料和加工工藝決定的，所以最佳的Y值是由填料的高度決定的。

3.填料尺寸的對(duì)比分析

由圖1所示的高壓儀表閥門(mén)的閥桿密封結(jié)構(gòu)可以知道，這個(gè)閥門(mén)的密封填料采用的是碳纖維材料，這種材料有著很好的自潤(rùn)滑性，可以大大的減小填料與填料函的摩擦因數(shù)、填料與閥桿的摩擦因數(shù)。并且閥蓋的填料函精加工、表面粗糙度達(dá)Ra0.4，閥桿采用硬化拋光處理、表面粗糙度可達(dá) Ra0.2，我們?nèi)?f1=0.2、f2=0.1；填料設(shè)計(jì)外徑D1=12mm、內(nèi)徑D2=8mm。為了分析，計(jì)算在不同填料高度H的情況下徑向應(yīng)力PX的值。其中YG為每種規(guī)格的最佳Y值，YM和YN為給定Y值。為便于對(duì)比分析，取YM=YG-0.1，YN=YG+0.1。通過(guò)分析這個(gè)表格，可以發(fā)現(xiàn)不管設(shè)定的YM和YN是比YG大還是比它小，它的PXG依然大于PXM和PXN。只有當(dāng)填料的Y值為最佳的YG時(shí)，我們才能得到最佳的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。所以企業(yè)在進(jìn)行生產(chǎn)填料設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該選取最佳的Y值或者靠近Y值的數(shù)值，這樣才能得到最佳的壓力。填料的高度過(guò)高或者過(guò)低，對(duì)于儀表的密封性能都不好。而且當(dāng)填料高度很高的時(shí)候，密封的面積就會(huì)變得更大。這樣的話，在閥門(mén)長(zhǎng)期工作中，會(huì)加大閥門(mén)的操作扭矩以及疲勞磨損，由此會(huì)降低儀表閥門(mén)的使用壽命。而且因?yàn)樘盍鲜褂玫牟牧喜煌鼈兊谋砻婧烷y桿的表面并不是百分之百光滑的，也會(huì)有不同程度的劃痕和損傷，這些缺陷在密封的表面分布散亂，如果填料高度太低，缺陷就可能會(huì)貫穿整個(gè)密封表面，從而產(chǎn)生泄露，所以我們?cè)谶x擇填料高度的時(shí)候一定要注意，不能太大也不能太小。

4.結(jié)語(yǔ)

儀表閥門(mén)密封性的好壞是決定一個(gè)儀表閥門(mén)質(zhì)量最重要的指標(biāo)，而且現(xiàn)在儀表閥門(mén)被應(yīng)用于各種各樣的企業(yè)生產(chǎn)中，它的質(zhì)量越來(lái)越受到大家的重視。從文中可以得知儀表閥門(mén)密封性能的提高不僅僅需要填料結(jié)構(gòu)尺寸合理安排，也需要密封副表面比較光滑，有較低的摩擦系數(shù)。現(xiàn)在的加工工藝和新型材料的使用已經(jīng)能夠基本保證密封副表面十分光滑，摩擦系數(shù)較小。但是目前對(duì)于填料尺寸的選擇，還沒(méi)有十分具體的標(biāo)準(zhǔn)，目前很多都是靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際的閥門(mén)生產(chǎn)過(guò)程中，在不同的壓力下，公稱尺寸需要使用不同的填料尺寸，就算是一個(gè)閥門(mén)當(dāng)它使用的是不同填料的時(shí)候，它所受到的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力也是不同的，也需要不同的填料尺寸才能達(dá)到最佳的密封性能，所以在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中想要得到最佳的填料結(jié)構(gòu)尺寸是很困難的。圖1所示的儀表閥門(mén)填料結(jié)構(gòu)是可以補(bǔ)償式的密封結(jié)構(gòu)，它可以在不進(jìn)行閥門(mén)拆卸和不泄放介質(zhì)壓力的前提下，通過(guò)再次將填料螺母的擰緊來(lái)補(bǔ)償因?yàn)樘盍鲜軗p和熱脹冷縮引起的閥門(mén)泄露，在一定的程度上降低密封性性能對(duì)填料尺寸的依賴。這樣的設(shè)計(jì)相比較平常的閥門(mén)設(shè)計(jì)更加有優(yōu)勢(shì)。在以后的閥門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該先進(jìn)行理論上的計(jì)算，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上。通過(guò)不斷創(chuàng)新、不斷生產(chǎn)實(shí)踐和驗(yàn)證改進(jìn)，最后才能得到更好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和更加合理的設(shè)計(jì)尺寸。