閥門密封的研究現(xiàn)狀綜述

彭結林，朱華炳，鄺先進

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

閥門是管道系統(tǒng)中的重要部件，廣泛應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、驅動機構、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[1]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性能指標，仍是研究重點。

閥門的端法蘭與管道之間的連接，中法蘭與閥蓋之間的連接，以及填料函與閥桿之間都存在密封的問題。前兩者屬于靜密封，后者屬于動密封，這些部位的泄漏介質(zhì)會溢出系統(tǒng)之外，稱外泄漏。閥門啟閉件的密封，其介質(zhì)的泄漏通常不會溢出系統(tǒng)，故稱內(nèi)泄漏。常見的閥門泄漏原因如表1所示。

密封的功能是防止泄漏。泄漏一旦產(chǎn)生，無論內(nèi)泄還是外泄，閥門的密封性都將受到破壞，同時泄漏介質(zhì)外流造成消耗增加、成本上升等。若易燃易爆 、有毒或有放射的介質(zhì)泄漏，會發(fā)生中毒、火災、爆炸和人身傷亡等事故。因而閥門必須具有可靠的密封性能。

1 密封失效及解決

閥門密封機構的失效是閥門存在的最為普遍問題之一，密封機構的失效導致泄漏是閥門在使用過程中常見的故障。因此優(yōu)化密封機構，解決閥門泄漏問題是提高閥門使用壽命、擴大適用范圍的關鍵。針對當前閥門泄漏問題，學者們進行了大量研究工作。

閥門密封失效的因素除去設計、制造、安裝工藝上可能引起的缺陷，密封面磨損、密封面表面質(zhì)量、密封焊縫開裂、塑性變形、腐蝕等同樣會引起閥門密封失效。閥門在實際工作過程中，由于日常開啟關閉，給密封結構帶來了不可避免的磨損。韓兵奇等[2]針對填料的磨損進行了研究，袁成[3]研究了截止閥密封面的修復，分別提出通過多重密封，減小填料預緊力和研磨修復，加焊小螺栓，加墊軟密封墊結構等措施有效改進密封機構。閥門與管道的連接方式中，對焊連接由于密封性能好，結構尺寸小等優(yōu)點是一種重要且常用的連接方式。針對焊接閥門存在的泄漏的原因，馬星等[4]研究表明焊縫金屬承受了較大的焊接應力以及內(nèi)部介質(zhì)的壓力，是密封焊縫開裂的主要原因，并在此基礎上提出了改進措施。此外，鄭道禮[5]分析了閥桿和閥蓋處的泄漏原因并討論了當前所應用的改善方法。Mnif R[6]通過實驗研究球形閥密封件的摩擦磨損失效，結果表明聚合物密封摩擦行為取決于密封面的夾緊載荷和副球的操作頻率。張瀟等[7]針對目前抗硫球閥經(jīng)常出現(xiàn)的密封面腐蝕泄漏等問題，以閥座密封面為研究對象，運用ANSYS進行接觸分析，分析不同閥座結構及材料的密封性能，結果表明，在材料屈服極限內(nèi)，普通夾層閥座相對彈性閥座具有最大的連續(xù)接觸壓力，為最優(yōu)選型。

2 密封研究現(xiàn)狀

針對當前閥門存在眾多失效因素的情況，相應的密封研究不僅從問題本身著手，更多前瞻性的密封研究應在多方向上進行展開?？v觀當前閥門行業(yè)密封的研究內(nèi)容，最近的研究主要圍繞著閥門密封材料的開發(fā)(尤其涉及特殊閥門、行業(yè)專用閥門)、密封結構設計及密封性能特性3個方向展開。

2.1 密封材料開發(fā)

伴隨閥門運用的深入推廣，閥門正逐步走入標準化、專業(yè)化、特殊化的發(fā)展軌道，更加嚴峻的運用領域對閥門提出了新的更高的要求，材料作為工業(yè)產(chǎn)品的物質(zhì)基礎，其選擇首當其沖。閥門各部位對材料的要求如表2所示。

表2 閥門各部位對材料的要求

續(xù)表2

密封材料的開發(fā)首先是針對當前密封材料存在的局限性進行的新型材料的研制，如武鑫等[8]采用工程塑料改性技術，研制一種新型高分子材料改性PA，用作程控氣動截止閥密封件。楊文光等[9]提出了一系列基于新材料及其復合材料的材料配方，形成了KT系列復合材料，并展望了新材料在閥門領域的應用前景。魏宏璞等[10]在針對核電閥門密封面現(xiàn)有堆焊材料都是含鈷元素的基礎上，設計了一種可以用于閥門密封面的無鈷鐵基合金粉末，用激光熔覆工藝在不銹鋼基體上激光熔覆，改變了無鈷材料不適合核電閥門密封面激光堆焊的現(xiàn)狀。其次，當前現(xiàn)有密封材料的全新應用及嘗試不同密封材料的搭配應用也是密封材料開發(fā)的研究內(nèi)容。如廖傳軍等[11]介紹了7種閥門用動密封的結構、材料及特性，為各類閥門動密封結構的改進和優(yōu)化，以及新型閥門動密封結構的研制提供參考。張寧等[12]針對3種低溫控制閥閥座軟密封聚合物材料的閥座密封泄漏率和壓力之間的關系進行了實驗，結果表明，PCTFE材料相比于PTFE和PEEK材料有優(yōu)良的密封性能和更穩(wěn)定的入口壓力。張逸芳等[13]通過對常溫下球閥的密封件進行有限元接觸分析，結果表明，在球閥的密封結構中選用聚四氟乙烯作為閥座材料符合強度要求和密封變形限制。Matus D A[14]等基于非均勻材料特點對彈性密封設計的改進進行了研究，采用有限元分析法，利用密封面接觸壓力驗證密封材料對密封性能的影響。

2.2 密封結構設計

密封結構的作用是造成一個相當封閉的空間，保證閥門可靠工作、實現(xiàn)閥門的設計功能和效率。通常按密封結構的運動狀態(tài)，將密封結構劃分為靜密封和動密封。閥門密封的結構形式也影響著其密封性能，密封的結構形式分類如下所示。

在閥門密封結構的設計和改進過程中，李志鵬等[15]

設計了一種軟硬組合密封的結構，充分利用硬密封承受壓力大，橡膠軟密封補償性好、密封嚴的優(yōu)點。張濤[16]通過分析了解造成電站鍋爐排污系統(tǒng)和疏水系統(tǒng)中的關斷閥內(nèi)漏的原因主要是沖刷和壓傷，研制出雙密封面結構的截止閥，閥門采用倒流結構，在解決內(nèi)漏問題的同時，也全面提高了排污、疏水閥門的使用壽命。雷吉平等[17]通過對雙向硬密封零泄漏污水節(jié)能閥門整體結構進行有限元分析，從理論上找到閥門結構的薄弱環(huán)節(jié)，從而改進和優(yōu)化該閥門的結構設計，實現(xiàn)了零泄漏和節(jié)能的效果。張建武等[18]通過倒裝密封、碟形彈片的補償密封和一種雙向靜密封閥座設計，增強了產(chǎn)品的密封性能，有效延長了閘閥的壽命。巫宗萍等[19]針對波紋管閥門的使用環(huán)境和要求，設計了其內(nèi)外密封結構，采用梯形刀口的平面內(nèi)密封結構，而閥門的外密封結構采用了與外界無漏點的波紋管密封，并通過優(yōu)化使該閥門達到氦泄漏率≤1×10-9Pa·m3/s的密封精度。吳巧梅等[20]針對深海的特殊工況，設計出了滿足內(nèi)外受壓的深海工況的多重密封的閥桿填料密封結構，通過主密封和副密封共三道密封，實現(xiàn)了內(nèi)外壓密封，并通過密封試驗發(fā)現(xiàn)在內(nèi)壓高達55 MPa時填料部分沒有發(fā)生泄漏。Zhu B[21]設計了一種采用膜片式密封的新型先導式壓力溢流閥，該閥能較好地解決主閥芯與套筒之間的密封和潤滑問題。此外，Linser M J[22]設計了一種用于同時布置動密封和靜密封的雙級密封結構，特別適用于控制閥。Yamada Y[23]等設計了一種真空閥的外部密封結構，采用由含氟樹脂組成的環(huán)形密封件放置在上端板和閥體之間達到防止氣體泄漏的目的。

2.3 密封性能特性

閥門的密封性能特性研究主要涉及密封結構的密封原理，密封結構與泄漏率之間的影響關系以及密封性能的分析方法等方面。

研究閥門的密封性能離不開閥門的密封結構，因此從密封結構的原理著手，是很多學者研究閥門密封性能的出發(fā)點。潘明浩[24]從閥門密封性的原理出發(fā)，針對泄漏的不同部位和程度，提出不同的防漏措施?？琢⑷旱萚25]通過研究鋼管水壓試驗機水路閥門密封面密封原理，針對水路閥門中的錐面密封給出了密封面設計參數(shù)的計算方法，并通過計算得出了密封面寬度和密封力對密封面密封性能的影響。閥門密封性能的好壞，泄漏率是重要的性能指標。劉厚君等[26]研究了密封比壓與泄漏率的關系，得出了試驗工況下密封比壓計算修正系數(shù)，為低溫密封結構設計提供依據(jù)。孫法國等[27]從力學角度建立閥門泄漏率計算公式，并以有限元方法建立閥門泄漏率計算模型，從而實現(xiàn)了閥門泄漏率的初步量化分析和計算。除泄漏率之外，陳敏等[28]采用不同位移壓縮下密封界面上的接觸壓應力以評價密封性能等。此外，Krishna M M等[29]采用有限元分析法對螺栓法蘭連接用墊片密封性能進行了研究，通過有限元分析模型得到密封墊的加載和卸載特性，分析表明，接觸應力的分布影響著其密封性能。Ahn J T等[30]針對低溫蝶閥用彈性固體金屬密封材料的密封性能進行了研究。Sun R等[31]為了提高閥門密封的檢測精度，提出了一種基于氣體傳感器的閥門密封性檢測方法，利用檢測單元內(nèi)測得的氣體濃度差來計算閥門泄漏率。劉坤芳等[32]分析了閥桿與閥蓋間填料密封結構的原理及影響填料密封的主要因素，并列舉了幾種典型的填料密封結構，為閥桿密封選用合理的填料密封結構提供依據(jù)。胡錦等[33]通過對天然氣閥門關閉件密封副密封原理的分析研究，分析密封副泄漏規(guī)律，找出減少和避免泄漏的方法，并提出天然氣閥門應盡量采用雙質(zhì)密封結構的閥門。

3 密封研究趨勢

綜合閥門當前存在的問題及密封研究現(xiàn)狀，針對當前閥門密封存在的主要問題及相應的解決措施，各種方法都具有重要的參考價值，可以在閥門密封設計和修復過程中予以借鑒。當前閥門密封的研究內(nèi)容和研究方法，拓展了當前閥門應用的材料和結構，各研究方法具有推廣價值。未來閥門密封研究的焦點應該會從以下幾個方面進行展開。

1) 閥門在未來實際工作過程中，面臨新的更嚴峻的應用環(huán)境和工作要求，將出現(xiàn)新的更為復雜的問題，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。

2) 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)、密封結構的設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)，在新材料的基礎上設計更優(yōu)密封性能的密封結構是閥門未來發(fā)展的重要趨勢。

3) 閥門及管道線路的自動化是管道運輸發(fā)展的必然趨勢，相應的自動化閥門密封研究也是未來發(fā)展一個重要趨勢。

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