阀门密封的工作原理和选择原则

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漏。因此，对于阀门等一般设备，减小或消除间隙是阻止介质泄漏的主要途径，这是阀门密封的主要研究方向。阀门在关闭状态，启闭件与阀座接触形成接触式密封 ，即利用密封面间的相互压紧、接触、甚至嵌入，以减小或消除间隙来阻碍介质的泄漏 【”。 (见图 1)面上必然产生接触压力。所以，密封面的接触压力是影响阀门密封性能的最重要参数，是设计者和操作者进行调节和控制、保证阀门密封性能的主要手段。确保密封的必要条件是，微观密封接触面应形成至少 1条连续闭合边线，同时沿介质泄漏方向至少有 1点的微观接触压力 0rM大于介质工作压力 P，2．2 阀门接触式密封的加工问题理论上，只要两个密封面贴紧至间隙小于介质分子直径时，就可以阻止介质通过，达到密封的目的。实际上，无论何种加工方法，都不能得到真正的理想表面，实际密封面上总是存在着微观凹凸不平的 “峰”和 “谷”，也存在着宏观的尺寸形状位置等误差，两个密封面不能达到理想的完全吻合，如图 1中a)所示。因此 ，在阀门的制造加工时 ，提高密封面的加工精度和表面粗糙度，则密封面间的微观问隙减小，从而有利于密封。例如，对于金属或陶瓷等硬密封面，通常采用研磨的加工方法。

但是，考虑到制造加工的现有能力和降低成本的生存压力，密封面问的微观间隙不可能完全消除，不能无限地提高制造精度。所以，在保证阀门密封的前提下，应尽量降低对加工精度的要求，使阀门密封能够适应较大的制造误差。

2_3 阀门接 触式密封的加载问题保证阀门密封的另一个方法，是在阀门关闭时，对密封面施加外部载荷力，或者同时利用介质在密封面上的作用力，使相接触的密封面微观凸 “峰”部分，产生弹性或局部塑性变形，从而使微观接触面积扩大，间隙减小，如图 1中b)所示，此时接触37称为理论密封条件 圆。即：O'M>P式中：— — 沿介质泄漏方向的最大微观接触压力；P——介质工作压力。

但是，不能无限地提高密封面的接触压力，因为当接触压力超过材料的安全强度，密封面很容易引起咬死或擦伤，甚至产生整体塑性变形，从而造成密封失效，而阀门是启闭动密封，要求密封能够在使用寿命内多次重复实现。当接触压力提高，而介质在密封面上的作用力是有限的，意味着启闭阀门需要的外部载荷力将会增大，整个阀门几乎所有的零件，特别是传动件 (如阀杆、阀杆螺母 、手轮或驱动装置等)的受力将会增大，安全可靠性将会降低，闸板等启闭件还会产生宏观变形而影响密封面的吻合，这样在阀门强度设计上需要额外的代价，例如增大阀杆直径、增大闸板厚度。

所以，在保证阀门密封的前提下 ，还应尽量降低启闭阀门需要的外部载荷力。

2．4 阀门的接触式弹性密封在现有制造能力的限制下，不可能无限提高加工精度和表面粗糙度来得到完全吻合的理想表面；虽然凡是减小密封面间隙的变形均有利于密封，利用塑料的塑性变形 、加注密封胶或密封脂等方法也可以实现密封，但较难达到多次重复实现密封的要求，所以阀门设计者往往选用弹性材料作为密封面。

弹性变形产生的接触应力符合胡克定律，即：= E × 8 实用技术式 中：— — 弹性应变产生的接触应力；E——材料的弹性模量，对于橡胶等超弹性材料 ，其弹性模量不是常数 ，与橡胶材料、几何形状、接触和约束边界条件有关；s—— 弹性应变。

橡胶密封就属于典型的接触式弹性密封，利用弹性材料的弹性变形来减小或消除泄漏间隙。以图2所示的0形截面橡胶密封圈为例，依靠初始装配过盈量产生的压紧力或施加的外部载荷力 ，使密封圈产生压缩变形，密封面产生压缩接触应力 ；介质压力作用在密封圈暴露于介质的表面，挤压密封圈，密封面产生介质挤压接触应力 (rP；当微观接触压力 大于介质工作压力 P时，从而达到密封 目的；当外力卸除后，密封面仍能够恢复原来的形状和尺寸。

图 2所示的 0形截面橡胶密封圈 ，挤压所产生的微观接触压力 O"M与压缩接触应力 or、介质工作压力 P的关系式为 ：l—l，crP=— — × P式中：or——压缩接触应力，与橡胶材料、几何形状、接触和约束边界条件、压缩率 (压缩应变)有关；38crP——介质挤压接触应力；l，——弹性体材料的泊松比，对于橡胶材料= 0．48～0．49：P——介质工作压力。

3 阀门密封的选择原则3．1 对介质工况的适用性原则阀门的软密封和硬密封，主要指阀门阀座与启闭件间的内密封副材质不同，其主要区别见表 1。

阀门的密封面材料分金属和非金属两大类，常用材料的适用条件如下：1)橡胶。一般用于低压的截止阀、隔膜阀、蝶阀、止回阀等阀门的密封面；2)塑料。用于密封面的塑料有尼龙、聚四氟乙烯，具有耐蚀性好、摩擦系数小等特点；3)陶瓷。能满足高磨损 、强腐蚀的使用环境，具有非常高的抗拉强度、抗压强度、弹性模量、硬度、超长的使用寿命等特点；4)金属。如硬质合金，具有良好的耐蚀性、耐冲刷性和抗擦伤性等综合性能，使用寿命长 ，是较理想的密封材料。常用钨钻铬合金和铬基合金堆焊焊条等，可制作超高压、超高温的密封面，适用于油品、油气、氢气等介质；5)金属橡胶。一种新型均质的弹性多孔材料，由金属丝冲压成型，具有类似橡胶材料的弹性和阻尼性能，同时又保持金属的耐高温 、高压、高真空、超低温、不产生老化现象等特性。金属橡胶密封环已成功应用于某型号进 口直升机起落架的密封，相信即将应用于阀门。

为了保证阀门密封面的安全可靠 ，阀门的密封面材料必须根据具体工况确定，这是密封材料对介质工况的适用性原则。如果介质的腐蚀性较强，选择材料时，应首先满足腐蚀性能，然后再满足其它性能的要求；闸阀的密封面应注意选用具有 良好的抗擦伤性能的材料；安全阀、节流阀和调节阀密封面最容易受到介质的冲蚀，应选用耐蚀性能好的材料；密封圈与本体镶嵌结构的，应考虑硬度高的材料作密封面；温度和压力较低的一般阀门，尽量选用密封性能好的橡胶和塑料作密封面；在选用密封面材料时，应注意阀座密封面硬度应尽量比阀瓣密蠊 l ；表 1 阀 门的软密封和硬 密封比较密封类型 mfl的软密封 阀门的硬密封软密封副通常为金属一非金属，或者非金 硬密封副通常为金属一金属 ，故也称金属密封副，属一非金属。两者硬度差较大，非金属通常为软 如铜合金 (用于低压阀门)、铬不锈钢 (用于普通高中密封副材质 压阀门)、司太立合金 (用于高温高压阀门及强腐蚀阀 质材料
， 如橡胶 (丁腈橡胶 、氟橡胶等)和塑料 门)
、 镍基合金 (用于腐蚀性介质)等。也有采用金属一 (聚四氟乙烯
、 尼龙等 )。 陶瓷
， 或者陶瓷一陶瓷等密封材料。

能达到极高的密封性能，可以达到零泄漏 ， 密封性能相对较差 ，尽管有制造商宣称可以作到零 密封性能而且这种密封性能可 以重复达到。 泄漏。

适用介质 多用于空气、水等非腐蚀介质。 多用于供热、供气、煤气、油品、酸碱等环境。

固体颗粒 易磨损。 抗磨损，但易泄漏。

可以用于中高压等工况，通常用在 35MPa以上的 适用压力 中低压
。 软密封材料容易受到压力 的影响。 高压
。

不耐高温，用于常温环境，软密封材料易受 硬密封 可用于低温
、 常温 、高温等环境 ，通常 适用温度 温度的影响而老化
。 软密封需要防火 ，因为在高 250℃以上选用硬密封
。 温下软密封材质会 出现泄漏 。

软质材料易变形，填补密封面表面的不平 制造工艺 整，对加工精度要求相对较低，甚至可实现不加 配合精度要求高，需研磨等精密加工、硬化处理 ，加工 比较复杂 ，工艺 比较难 ，生产周期长 。 工
。 闸阀结构 平底直通流道 ，等同于直管道。 凹底直通流道 ，易沉积垃圾 。

多为中线型，也可为单偏心、双偏心、三偏 多为单偏心、双偏心、三偏心结构，无法实现中线 蝶阀结构心结构。 结构。

使用 寿命 使用寿命短。 寿命长。

价 格 便宜 。 较贵 。

封面的硬度高一些。

3．2 对制造误差的适用性原则钢等弹塑性材料典型的应力一应变行为如图3中a)所示，例如合金钢，其弹性模量为 186x10 ～206x10 MPa， 弹性 应变 范 围不超过 0．5％～1．O％。通常利用弹塑性材料的线弹性 阶段来提供阀门密封必需的接触压力，减小或消除制造公差引起的密封面间隙。已知在密封面有滑动摩擦时，渗氮钢的许用比压为 80MPa，在阀门常用密封材料中是比较大的。以表 2中的密封面尺寸和公差为例，假设密封副基体是刚性的，密封面为渗氮钢一合金钢 (研磨加工)，根据胡克定律公式计算得 ，密封 面 的压 缩接 触应 力将 至少增 加279MPa，已远超过渗氮钢的许用比压 80MPa，阀门关闭时密封面很容易引起咬死或擦伤。这就是金属39豳 实用技术表 2 金属密封阀门一橡胶密封阀 门对制造误差 的适应性密封刚材料 金属。 金属 橡胶一金属密封面直径 (mm) 100 100密封面厚度 (mm) lO 10阀座制造方法 研磨 铸造公差值 IT5(151xm) CT9(1．6mm)压缩应变增大值 0．15％ 16％弹性模量 (MPa) l86x103 7．84压缩接触压力增大值 279 1
．25 (MP
a)许 用比压 (MPa) 80 5密封阀门必须提高加工精度的主要原因。

改进金属密封阀门的另外一种方法是进行密封截面的结构变化，例如图4所示的偏心型金属密封蝶阀，利用金属弹性材料制成 C形、I，形等薄壁密封圈，依靠密封圈较大的结构弹性变形和介质作用而不是较小的材料弹性变形来获得密封必需的接触压力，这种方法的缺点是密封圈制造困难，需要与基体额外连接 ，还可能会多出需要密封的额外泄漏通道 ，结构复杂 ，蝶板正反两向的密封性能不相同，不能达到降低制造难度的目的。

橡胶等超弹性材料典型的应力一应变行为如图3中b)所示，超弹性材料的变形虽然是高度的非线性，但在大应变时 ，仍然保持为 良好的弹性。例如，橡胶在位伸应变超过 100％ (甚至达到 1000％)时，仍能够较好地恢复原来的形状和尺寸；橡胶用作密封材料时，通常推荐使用的压缩率 (压缩应变)为 8％-30％，最高可取 40％，此时仍能够保持良好 的弹性 。通常橡胶 弹性模量在计算时可取7．84MPa，在密封面有滑动摩擦时，橡胶的许用比压为 3MPa。以表 2中的密封面尺寸和公差为例 ，假设密封副基体是刚性的，只是密封面为橡胶一金属阀座 (铸造成形 、未经机械加工)，根据胡克定律公式计算得，橡胶密封面的压缩接触应力将增加1．25MPa，小于橡胶的许用比压 5MPa，密封面不容易损伤破坏，而且橡胶很容易与金属基体粘结，利用简单的模压工艺即可成型。由于橡胶材料的弹性变形比金属大的多 (可达 10000倍以上)、弹性模量比金属的小得多 (为 1／700到 1／4000)，因此橡胶是最常用的密封材料。

4 总结本文首先分析了阀门接触式密封的工作原理，探讨了在制造加工过程、关闭加载过程中保证阀门密封的要求和手段 ，重点讨论了弹性密封的接触应力。并对阀门的软密封和硬密封进行了初步比较 ，从对介质工况适用性、对制造误差适用性的两个方面，讨论了阀门密封的选择原则。对于阀门的接触式密封理论与工程实践手段，本文尝试将两者联系起来，为设计、制造、操作等环节中保证阀门密封性能 、提升阀门质量水平 ，提供一种思考方 向。

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北京 ：机械 工业出版社 ，1976[2]任全彬，蔡体敏．橡胶 “0”形密封圈结构参数 和 失 效 准则研 究 [ ．固体 火箭技 术 ，2006，l：9-14，29[3]付平，常德功．密封设计手册 [M]．第 1版．北京：化学工业出版社，20090