不銹鋼球閥密封結(jié)構(gòu)探討

摘要：本文對(duì)不銹鋼球閥的密封結(jié)構(gòu)作了初步探討。重點(diǎn)分析了球閥主密封結(jié)構(gòu)的形式，密封材料的選擇等影響球閥密封性能和使用性能、可靠性的因素，提出了彈性脹圈和聚四氛乙烯唇式密封座組成的組合型密封座的結(jié)構(gòu)形式。

球閥以其眾所周知的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種管路系統(tǒng)的快速切斷、改變介質(zhì)流向和自動(dòng)控制，可采用手動(dòng)、電動(dòng)或氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。球閥的典型結(jié)構(gòu)（未考慮驅(qū)動(dòng)方式）。

在球閥的使用性能中，密封性是其主要指標(biāo)之一。球閥的密封結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，其一為主、副閥體間的密封，由密封調(diào)整墊片實(shí)現(xiàn)；其二為主閥體與閥桿間的密封，由標(biāo)準(zhǔn)“V”形填料或 0 形密封圈實(shí)現(xiàn)，組成球閥的外密封結(jié)構(gòu)。其三為球體與主、副閥體間的密封，由密封座實(shí)現(xiàn)，組成球閥的主密封結(jié)構(gòu)。主密封結(jié)構(gòu)的密封性影響球閥的工作性能，是球閥設(shè)計(jì)和制造中關(guān)鍵的密封結(jié)構(gòu)。本文將重點(diǎn)討論球閥主密封的非金屬密封（又稱軟密封）結(jié)構(gòu)問題。

1 球閥的密封性要求

球閥的密封性指標(biāo)由內(nèi)泄漏和外泄漏要求確定，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非金屬密封球閥的密封性按 GB/T13927《通用閥門壓力試驗(yàn)》的 A 級(jí)執(zhí)行，要求“在試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)無可見泄漏”；航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定地面氣體管路系統(tǒng)用球閥“在 0.05MPa 和 1.1 倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓 3min ，內(nèi)泄漏率應(yīng)不大于 3×10^-5Pa·m³/s（無氣泡逸出）；在 1.1 倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓 3min ，外泄漏率應(yīng)不大于 1×10^-5Pa·m³/s（無氣泡逸出）。”

2 影響球閥密封性的主要因

素影響球閥密封性的主要因素有密封面的粗糙度和球體圓度參數(shù)。眾所周知，無論采用如何先進(jìn)的加工技術(shù)，都不可能完全消除球體的圓度誤差及密封面的微觀缺陷，因此，為了達(dá)到良好的密封效果并保證加工過程可以實(shí)現(xiàn)，必須確定合適的密封面粗糙度和球體圓度參數(shù)值。有關(guān)資料推薦，球體密封面的粗糙度 Ra 值最大允許值為 0.4µm；密封座粗糙度 Ra 值在以聚四氟乙烯為密封材料時(shí)最大允許值為 0.8µm。球面的圓度公差，按 GB/T1184 附表 2 的 6 級(jí)精度較為合適。

3 球閥主密封結(jié)構(gòu)分析

早期的球閥，一般采用金屬材料作為密封結(jié)構(gòu)（又稱硬密封），隨著工程塑料技術(shù)的發(fā)展，尤其是聚四氛乙烯的出現(xiàn)，使球閥密封結(jié)構(gòu)有了一種較為理想的密封材料。常見的球閥主密封結(jié)構(gòu)的軟密封形式有剛性密封座、帶彈性元件的密封座、聚四氟乙烯唇式密封座和彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組成的組合型密封座等形式。唇式密封座具有的唇形結(jié)構(gòu)，使其具有較好的彈性，在使用中可保證密封面的預(yù)壓縮量并可對(duì)密封面的預(yù)壓縮量進(jìn)行補(bǔ)償而優(yōu)于剛性結(jié)構(gòu)。但使用中發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯的彈塑性變形能力及在溫度變化條件下的穩(wěn)定性仍不十分理想，且具有較大的冷流趨向；同時(shí)，由于球閥的使用壓力變化范圍較大，因此，采用聚四氟乙烯作為密封材料制成的唇式密封座，在較低壓力條件下或長期使用中仍易產(chǎn)生泄漏。解決這一問題的方式為采用彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組成的組合型密封座，它可依靠金屬材料彈性脹圈良好的彈塑性變形能力，增強(qiáng)其整體的彈塑性變形能力和補(bǔ)償能力，提高球閥的密封能力。

3.1 球閥密封條件

要保證球閥達(dá)到規(guī)定的密封要求，須借助介質(zhì)的壓力推動(dòng)球體（浮動(dòng)式球閥）或密封座（固定式球閥）產(chǎn)生微小位移，使密封座表面產(chǎn)生一定的彈塑性變形，形成必要的密封比壓。密封比壓過高將會(huì)導(dǎo)致密封座所受比壓超過材料的許用比壓而損壞，使密封失效，還會(huì)導(dǎo)致操作力矩升高而影響動(dòng)作性能；過低則會(huì)使密封座表面的彈塑性變形量不足以補(bǔ)償球體的加工誤差，導(dǎo)致主密封不能達(dá)到規(guī)定的密封要求。

球閥的密封條件為：q_MF < q < [q]
式中：q_MF — 保證密封所必須的密封面比壓； [q] — 密封面的許用比壓；q — 計(jì)算的實(shí)際比壓。

3.2 浮動(dòng)式球閥的密封機(jī)理

所示，由于球體下端無固定支承，浮動(dòng)式球閥關(guān)閉時(shí)，在介質(zhì)壓力作用下，球體將產(chǎn)生一定的浮動(dòng)量（位移），離開人口端密封座而壓緊在出口端密封座上，使介質(zhì)在出口端密封座受到阻截。即浮動(dòng)式球閥實(shí)際上只有出口端密封座發(fā)揮密封作用，而人口端密封座與球體間保持一很小的浮動(dòng)間隙。

3.3 固定式球閥的密封機(jī)理

高壓或公稱通徑 DN≥200mm 的球閥，常采用固定式結(jié)構(gòu)。固定式球閥的球體不產(chǎn)生浮動(dòng)量，可保證雙向密封，使閥門的操作扭矩降低；密封座上的載荷波動(dòng)幅度較小。固定式球閥可分為球前密封式（人口密封式）和球后密封式（出口密封式）

3.4 密封座的預(yù)壓縮考慮

為了保證球閥在介質(zhì)工作壓力較低時(shí)的密封性，球體和密封座間必須形成一定的預(yù)緊比壓。

在剛性密封座中，球閥工作的可靠性和使用壽命取決于正確選擇密封座的預(yù)壓縮量。預(yù)壓縮量不足，不能保證球閥的低壓密封性；預(yù)壓縮量過大，會(huì)導(dǎo)致球體與密封座間的摩擦力矩增加，影響球閥的動(dòng)作性能；并可能引起密封座的塑性變形，導(dǎo)致密封失效。對(duì)于聚四氟乙烯密封座，其預(yù)緊比壓一般應(yīng)為 0.1PN，且不小于 1.02MPa 。剛性密封座預(yù)壓縮量的調(diào)整靠改變密封調(diào)整墊片的厚度實(shí)現(xiàn)，密封調(diào)整墊片加工的誤差會(huì)影響調(diào)整的效果；合理的裝配與調(diào)整是獲得良好密封性的關(guān)鍵。在使用中，密封座磨損后，預(yù)緊比壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力很差，因此剛性密封座結(jié)構(gòu)球閥的使用壽命相對(duì)較短。

解決問題的途徑之一是采用帶彈性元件的密封座。此時(shí)，預(yù)壓縮量的獲得與調(diào)整不再依靠密封調(diào)整墊片而由彈性元件來實(shí)現(xiàn)。帶彈性元件的密封座除可獲得必要的預(yù)壓縮量外，還可在彈性元件的彈性變形范圍內(nèi)對(duì)預(yù)緊比壓進(jìn)行補(bǔ)償，因此，球閥的使用壽命相對(duì)較長。

球體帶有固定軸的球閥，稱為固定球閥。固定球閥主要用于高壓大口徑。根據(jù)閥座密封圈的安裝不同，固定球閥可以有兩種結(jié)構(gòu)：球體前密封的閥座，球體后密封的閥座。