暗桿式平行閘板閥閥桿密封分析

摘 要：通過對現(xiàn)有一種暗桿式平行閘板閥U形閥桿密封的有限元分析，發(fā)現(xiàn)存在殼體和填料分離、殼體擠裂的隱患，而且摩擦扭矩較大，為此，提出用金屬彈簧密封圈替換現(xiàn)有的閥桿密封，從原理上可以有效地解決目前閥桿密封存在的問題。

關(guān)鍵詞：閘板閥 閥桿密封 金屬彈簧密封圈

中圖分類號(hào)：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（a）-0078-02

閘板閥密封主要有閥座與閘板之間的密封、襯套與閥座和襯套與閥體之間的密封以及閥桿密封。閥桿帶動(dòng)閘板使閥門開啟和關(guān)閉，是可動(dòng)件，也是最易產(chǎn)生外漏的部位，必須保證閥桿密封的可靠性。

1 閘板閥閥桿密封的服役條件和技術(shù)要求

圖1為一種暗桿式平行閘板閥，其中閥桿密封12是一種U形填料密封，如圖2所示。其外殼為聚四氟乙烯塑料，U型腔內(nèi)填充氟橡膠，氟橡膠與殼體之間用TS-2塑料膠粘劑填實(shí)粘牢。

安裝時(shí)填料密封12與閥桿7的外徑和閥蓋9的內(nèi)孔都有預(yù)壓縮量，其截面壓縮量為12.5%。初始密封即低壓密封就是靠填料密封的預(yù)壓縮量實(shí)現(xiàn)的。

閘板閥關(guān)閉時(shí)，在高壓作用下，閥腔中會(huì)充滿介質(zhì)，從而對填料密封的底部作用很高的壓力，從而使密封外殼更加貼緊相對的密封面，從而保證閥桿的高壓密封。

一般閘板閥是常開或常閉的，在特定情況下需要關(guān)閉或打開閥門，因此要求手動(dòng)閘板閥的啟閉扭矩小于180 Nm。

U型閥桿填料密封外殼采用聚四氟乙烯塑料，與鋼件形成密封副，摩擦系數(shù)小，可以有效降低摩擦扭矩；填料采用氟橡膠，依靠其高彈性能，保證填料密封的密封性能。

2 閘板閥閥桿密封受力分析

2.1 閘板閥密封安裝分析

圖3是閘板閥閥桿密封的安裝簡圖。閘板閥閥桿密封的安裝過程如下：把U型填料密封（4和5的組合體）套在閥桿2上，再把閥桿2與閘板（圖中未畫）連接好，然后用密封壓蓋6將U型填料密封壓入閥蓋3中。

閥桿密封安裝到位后的閥桿密封的變形和應(yīng)力分布。圖中顯示閥桿密封在安裝中，外殼受到擠壓作用，填料被擠出，如果填料和外殼粘結(jié)不好，就有可能與外殼分離；外殼內(nèi)圓的底部所受的拉應(yīng)力為20 MPa，該處有可能發(fā)生撕裂；同時(shí)填料密封與閥桿的預(yù)壓縮量為4.7%，與閥蓋孔的預(yù)壓縮量為3.5%，兩者壓縮量不一致，導(dǎo)致密封發(fā)生圖中所示的扭轉(zhuǎn)。

（圖4）為閥桿密封安裝到位后閥桿密封面的接觸應(yīng)力。圖中顯示密封接觸壓力大于6 MPa，在無壓情況下足以滿足密封要求。

2.2 閘板閥承受介質(zhì)壓力70 MPa時(shí)閥桿密封分析

圖5為介質(zhì)壓力70 MPa時(shí)閥桿密封的變形和應(yīng)力分布。圖中顯示在密封內(nèi)孔的上邊緣，外殼收到嚴(yán)重的擠壓；整個(gè)密封包括填料和外殼均只受壓應(yīng)力作用，最大壓應(yīng)力為70 MPa，位于密封外殼的外緣靠近底部處，該處可能發(fā)生擠壓破壞。

圖6為介質(zhì)壓力70 MPa時(shí)閥桿密封的接觸應(yīng)力分布。圖中顯示在密封不發(fā)生損壞的情況下，密封與閥桿接觸面的接觸應(yīng)力為69.5～75 MPa，密封與閥蓋接觸面的接觸應(yīng)力為62～75 MPa，可以滿足密封要求。

通過以上分析，從理論上得出如下結(jié)論：（1）在密封圈不發(fā)生撕裂、擠毀損壞的情況下，其接觸應(yīng)力可以滿足密封要求；（2）在密封圈安裝到位后，外殼內(nèi)圓的底部拉應(yīng)力最大，有可能發(fā)生撕裂；在介質(zhì)壓力達(dá)到70 MPa時(shí)，外殼的外緣靠近底部處壓應(yīng)力最大，可能發(fā)生擠壓破壞；（3）在密封圈安裝過程中，填料從U型外殼中擠出，可能與外殼分離；在介質(zhì)壓力達(dá)到70 MPa時(shí)，外殼內(nèi)孔的上邊緣受到嚴(yán)重?cái)D壓，可能發(fā)生破壞。

3 閥桿密封扭矩分析

閘板閥啟閉扭矩最大時(shí)的位置在閘板接近完全關(guān)閉或閘板剛打開處，此時(shí)的扭矩包括閥桿與閥桿密封之間的摩擦扭矩、閥桿螺紋與閘板螺紋之間的摩擦扭矩。

對閥桿與閥桿密封之間的摩擦扭矩進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果是當(dāng)密封壓力為70 MPa，閥桿密封外殼與閥桿的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，閥桿與閥桿密封的摩擦扭矩是105 Nm，換算到手輪處，需403.5 N的力。考慮到還要加上閥桿螺紋與閘板螺紋之間的摩擦扭矩，特別是閘板單向受壓力作用后發(fā)生橫向位移，還會(huì)導(dǎo)致閥桿與閘板連接螺紋摩擦扭矩增大，此時(shí)，總的閥桿扭矩可能大于規(guī)定值180 Nm。現(xiàn)場也反映該閥的啟閉扭矩大，要求改進(jìn)。

4 閥桿密封改進(jìn)方案

目前閘板閥閥桿密封存在外殼破裂、摩擦扭矩大等諸多問題，為解決上述問題，提出采用金屬彈簧密封圈替代現(xiàn)有的閥桿U型填料密封。

該密封是一種改進(jìn)的Y型密封，開口面向高壓側(cè)，壓力越高，密封力越大，其主材為高性能填充聚四氟乙烯，材料強(qiáng)度高，承壓能力強(qiáng)。

該密封由多個(gè)小凸起與閥桿接觸形成密封，接觸面積小，加之密封材料極低的摩擦系數(shù)，可以顯著減小閥桿與密封的摩擦扭矩。

此外，該密封還配置Elgiloy或優(yōu)質(zhì)不銹鋼合金彈簧作為初始?jí)嚎s彈性補(bǔ)償源，初始密封力由金屬彈簧提供可以滿足低壓密封；隨閥體中介質(zhì)壓力的升高，密封材料填充聚四氟乙烯被擠向配合面，密封材料與閥桿和閥蓋內(nèi)孔之間接觸應(yīng)力增加，從而保證有效密封。

5 結(jié)語

目前在用的一種暗桿式平行閘板閥閥桿U形密封存在以下失效隱患：安裝時(shí)，填料可能與外殼分離；外殼內(nèi)圓可能撕裂；在介質(zhì)壓力達(dá)到70 MPa時(shí)，外殼內(nèi)孔的下邊緣可能發(fā)生擠壓破壞；而且該密封與閥桿的接觸面積大，摩擦扭矩大，分析結(jié)果與現(xiàn)場使用吻合。

金屬彈簧密封是一種改進(jìn)的Y型密封，配置金屬彈簧，可以滿足閘板閥的高低壓密封要求，而且該密封與閥桿的接觸面積小，可以顯著降低閥桿啟閉扭矩，提高閘板閥操作性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 專利CN202215183，一種油井專用U型盤根[P].

[2] 專利CN201884690，一種超高壓平板閘閥[P].