阀门动密封的常用结构、材料及特性

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万方数据118液压与气动2014年第5期doi：10．11832／j．issn．1000—4858．2014．05．028阀门动密封的常用结构、材料及特性廖传军，满满，王洪锐，张翼，许光(北京宇航系统工程研究所，北京100076)摘要：阀门动密封是阀门设计的重点和难点，其结构形式的设计以及材料的选用对阀门的动特性以及密封性能有着重要影响。本文介绍了填料密封、O形密封圈、波纹管密封、冷冻密封、焊接膜盒密封、氟塑料密封和唇形密封等七种阀门用动密封的结构、材料及和特性，为各类阀门动密封结构的改进和优化，以及新型阀门动密封结构的研制提供参考。关键词：阀门；动密封；结构；材料；密封特性中图分类号：THl37；TB657；TB324文献标志码：B文章编号：1000-4858(2014)05-0118-04TypicalStructures，MaterialsandCharacteristicsofDynamicSealsforValvesLIAOChuan-jun，MANMan，WANGHong-rui，ZHANGYi，XUGuang(BeijingInstituteofAstronauticalSystemsEngineering，Beijing100076)Abstract：Thedynamicsealisoneofthekeyfactorsinthedesignofvalves，ofwhichthestructuraldesignandstockoptionareboththeimportantinfluencingfactorsofthesealingperformanceanddynamiccharacteristicofvalves．Thestructures，materialsandcharacteristicsofseveraldynamicsealsforvalvesareintroducedinthispa—per，includingofthepackingseal，theO—ringseal，thebellowseal，thefreezingseal，theweldinganeroidseal，thefluoroplasticsseal，thelipseal，etc．Thesewillprovideinstructionsforimprovementsandoptimizationsofvar—ieddynamicsealsforvariedvalves．andarefavorablefordevelopmentsofnewstyledynamicsealsofvalves．Keywords：valve，dynamicseal，structure，material，sealcharacteristic引言阀门密封按密封面是否接触分为接触密封和非接触密封，靠密封力使密封面相互靠紧、接触并嵌入以减小或消除间隙的各类密封称为接触密封；密封面间预留固定的装配间隙，无需密封力压紧密封面的各类密封为非接触密封。根据接触密封副是否有相对运动，阀门密封又分为动密封和静密封：静密封通常都属于接触密封，动密封既有属于接触型的，也有非接触型的¨J。阀门通常有两个部位需用到动密封结构，一是阀座、活阀处的密封，另一是运动杆导向密封。阀门动密封是阀门设计的关键点也是难点，其泄漏会影响系统的正常运行，造成较大的经济损失，国内外航天历史上多次出现由于阀门泄漏导致任务推迟或失败的案例。随着工业技术的发展，各种阀门对其动密封结构和材料的要求也越来越高，要求具有高耐磨性、高密封性以及较强的抗腐蚀性能等，以适应高温、高压及低温等恶劣工况。本文介绍了几种典型阀门用动密封的结构、材料及其特性，为新型阀门动密封的研制提供参考。1常用动密封结构及特性1．1填料动密封结构填料密封结构是阀门中应用最广泛的一种动密封结构，一般用于阀门阀盖与阀杆之间的密封。填料装入填料函之后，经压盖对其作轴向压缩产生径向力，并与阀杆产生紧密接触；同时，填料中的润滑剂被强行挤出，在接触面之间形成油膜，未接触的部分则形成小油收稿日期：2014-01-26基金项目：国家自然科学基金资助项目(51305040)作者简介：廖传军(1979一)，男，湖南澧县人，工程师，博士，主要从事流体密封技术方面的科研工作。 万方数据2014年第5期液压与气动119槽；当阀杆与填料之间有相对运动时，接触部位与非接触部位交替出现，形成了一种不规则的迷宫，从而起到阻止密封介质外泄的作用旧1。填料动密封结构有技术简单、价格低廉、无毒、无环境污染、维护操作方便等诸多优点。聚四氟乙烯是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，因其具有摩擦系数极低、高润滑不粘性和良好的密封性，以及良好的耐温性、耐腐蚀性、电绝缘性及优良的化学稳定性和抗老化能力，是阀门中应用最为广泛的填料动密封材料。图1所示是一种由聚四氟乙烯V形填料组成的单层密封结构，这是各种调节阀广泛使用的一种密封型式，既可用于直行程调节阀，也可用于偏心旋转类调节阀‘3|。图l聚四氟乙烯V形填料单层动密封结构图2所示是一种聚四氟乙烯V形填料双层密封结构，虽然填料层数增加使得摩擦力增加，但其密封性能更好，所允许的工作压力也更高‘3|。图2聚四氟乙烯V形填料双层密封结构石墨填料具有耐腐蚀、耐低温、耐高温的性能，以及自润滑性好、弹性大、扭距小的特点HJ，是一种应用广泛的密封填料。因此种填料强度较低，需与其他填料混合装配，图3所示为一种由石墨填料及碳材料组成的密封结构，此种结构有着较好的密封性能及较长的使用寿命，但由于填料摩擦力较大，需要加大执行机构型号或配阀门定位器‘31。图3石墨填料及碳材料组成的密封结构当阀门填料函密封结构形式已确定的情况下，应选择弹性及延伸性好、耐腐蚀性强、机械强度高、摩擦系数小的密封填料⋯。为改善阀门填料密封结构的性能，一些新型填料得到推广和应用，如热敏式填料密封结构，其原理是在阀门的使用过程中通过热敏件的变形自动压紧填料，以补偿填料的磨损和压紧力衰减，使填料密封在阀门的整个使用过程中均处于密封状态【5J。另外，国外新开发了光谱密封技术、瞬时发射技术及2070技术等多种新型阀门填料密封结构哺]。1．20形圈动密封结构0形密封圈是一种截面为圆形的圆环形密封元件，一般为合成橡胶材料，也可采用金属或其他非橡胶材料加工而成，一般安装在矩形沟槽和端面倒角槽中，构成一种密封结构，也可安装在偏矩形槽、燕尾槽等其它形状的沟槽中。O形圈密封结构既可用于静密封，也可用于动密封，图4所示为橡胶0形圈密封结构，用作动密封¨J。0形嘲图40形圈动密封结构示意图橡胶0形圈是我国目前需求量最大的一种密封件，用作阀门动密封的常用材料还有硅胶、氟胶和丁腈胶等，具有以下优点：结构简单、体积小、安装部位紧凑、具有自密封作用，工作压力区间较宽，无需作周期 万方数据120液压与气动2014年第5期性调整，其适应性大、用途广、价格便宜，但同时也有不足之处：起动摩擦阻力大，易引起忽滑忽粘的爬行现象；如使用不当，容易引起0形圈切、挤扭、断裂等事故；很难做到不泄漏，只能控制其渗漏量不大于规定许可值‘8l。1．3波纹管动密封结构阀门中的金属波纹管动密封是通过金属波纹管组合件实现动密封。金属波纹管组合件一般由金属波纹管：法兰连接件和盖连接件组成，如图5所示‘9|。法兰连接件图6三层U形金属波纹管结构示意图GH4169合金材料是金属波纹管的常用材料，在一253—700℃温度范围内具有良好的综合性能。6500C以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，且加工性能、焊接性能也良好。对于3层U形的高温合金GH4169材料的波纹管，一般能承受20～30NPa的内压或外压，不失稳，适用于低温和高温的工况，动作寿命在工作压力0～5NPa下，一般大于2万次【9J。1．4冷冻动密封结构液态金属钠具有质软、密度小、导热性能优越等特点，是阀门冷冻动密封的常用材料，其原理是使阀杆周围的一薄层环腔内的液态钠凝固，以实现对钠液的密封。通常采用自然对流或者强迫对流方式使环隙里的钠保持固体状态。图7是一种自然对流式冷冻密封结构，其阀盖与填料函之间加有散热片，以降低介质的温度，达到阀门处密封的效果，填料和0形圈用作冷冻密封的后备密封‘101。引漏散O形圈填料图7自然对流式冷冻密封结构图8是一种强迫对流式冷冻密封结构，此结构用冷却气体降低介质的温度，填料密封为阀杆处的第2道密封，当填料密封失效后，由0形圈来确保阀杆处密封。自然、强迫对流式冷冻密封结构的引漏装置起到报警器的作用，当冷冻密封失效时，检漏管处的监测火花塞发出预警信号，提示系统应采取应急措施¨0j。形圈料杆图8强迫对流式冷冻密封结构冷冻动密封结构广泛用于钠系统阀门中，其制造工艺简单、故障率低，有着诸多优点：轴作轴向或旋转运动均可使用，可降低大尺寸和大行程阀门的高度，可吸收密封部位的部分振动等。但其也存在应用中的一些不足：需要提供惰性保护气体，驱动阀杆的力矩要求较大，要求阀门垂直安装等¨0】。2其他动密封结构及特性2．1焊接膜盒动密封结构焊接膜盒动密封结构的工作原理与波纹管动密封结构的相似，区别在于前者的弹性元件为焊接膜盒。一种焊接膜盒动密封结构如图9所示，此结构一般为 万方数据2014年第5期液压与气动121不锈钢或高温合金材料，适用温度范围较宽，可以在超低温、超高温环境下正常工作，但制造工艺较为复杂。焊接膜盒图9焊接膜盒动密封结构2．2氟塑料动密封结构氟塑料密封结构一般由弹性元件和氟塑料外套两部分组成，如图10所示，弹性元件如金属弹簧提供密封所需的弹性，氟塑料如聚四氟乙烯或填充聚四氟乙烯提供密封接触面及摩擦面。弹性元件一氟塑科外g图1(1氟塑料密封结构氟塑料密封结构既可用作静密封，也可用作动密封，用作阀门动密封结构时有装配预紧力小、耐低温性能好、密封性能可靠等诸多优点。可通过调整骨架和弹簧的材质及结构来满足各种应用要求，如一种氟塑料动密封结构，其骨架材料为填充聚四氟乙烯，弹簧材料为耐蚀弹性金属，可在超低温到300℃以上的温度范围内使用，并且耐介质的范围也非常广。2．3唇形动密封结构唇形密封圈是指各种断面形状的弹性体动密封元件，在整个截面中有一个，或者一个以上的唇口，依靠唇部紧贴密封偶合件表面，以阻塞泄漏通道而获得密封效果。有代表性的唇形密封圈有Y形圈、V形圈、U形圈、L形圈、J形圈等，图1l所示为一种Y形圈唇形动密封结构¨¨。唇形动密封图llY形圈唇形动密封结构示意图唇形密封圈的常用材料有氟胶、硅胶、丁腈胶等，其工作压力为预紧力和流体压力之和，当被密封介质压力增大时，唇12I被撑开，更加紧密地与密封面贴合，密封性进一步增强。此外，唇边刃口还有刮油的作用，有利于增强密封性能。唇形密封圈可以通过唇部撑开、变形补偿小的磨损量；密封压紧力随着介质压力的改变而变化，能始终适应介质压力的变化，在保证足够密封压紧力的同时，又不至于产生过大的摩擦力，因此，密封效果和使用寿命均能得到保证¨2|。唇形密封圈用作阀门阀杆动密封时需两个密封圈同时使用，以适应其频繁往复运动的特性，但两个密封圈之间可能产生困油，引起逆压破损。3结论介绍了填料密封、0形密封圈、波纹管密封、冷冻密封、焊接膜盒密封、氟塑料密封、唇形密封等七种阀门常用动密封的结构、材料及特性，另外，目前工业上所采用的阀门动密封还有其他多种型式，如锥形密封、球面密封等，这些密封结构可为各类阀门动密封结构的改进和优化，以及新型阀门动密封结构的设计和研制提供参考。参考文献：[1]陶兴凤，周爱民．电站阀门密封性能分析[J]．浙江电力，2005，24(1)：56—58．[2]陈匡民，董宗玉，陈文梅．流体动密封[M]．成都：成都科技大学出版社，1990．[3]陈世伟．阀门填料密封结构及选择[J]．阀f-1，1996，(4)：33—38．[4]王宏喜，龚烈航，薛丽，等．柔性石墨密封材料制作法兰密封垫机理研究[J]．液压与气动，2004，(11)：17一19．[5]鹿彪，张立红．阀门填料密封的特性与改进措施[J]．阀门，1994，(4)：37—41．[6]薛珍．阀门密封用新型填料和垫片介绍[J]．电站辅机，2003，(2)：22—23．[7]陈昆明．DN50以上高压阀门密封试压台的研制[J]．电力建设，2000，21(5)：46—47．[8]彭兵．浅谈0形圈在动密封中应用的不足及对策[J]．润滑与密封，1999，(4)：62—63．[9]魏国俭，黄乃宁，乔桂玉，等．航天阀门中零泄漏金属波纹管动密封技术及其应用[J]．阀门，2012，(1)：27—32．[10]金晶．液态钠回路阀门的密封结构设计[J]．阀门，2005，(5)：10—12．[11]郑军．结构紧凑的双向作用往复唇形密封圈[J]．液压气动与密封，1999，(1)：44—45．[12]付平．常德功．密封设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2009．