閥門動密封的常用結構、材料及特性

周曉普

摘 要：閥門是管道系統中的重要部件，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、化工等行業的發展，間接促進了閥門行業的高速前進。閥門在大型化、高參數化、高性能、自動化發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。分別從材料開發、結構設計和密封性能3個方面歸納了當前閥門密封的研究內容，對閥門密封的發展趨勢進行了預測。

關鍵詞：閥門動密封；結構；材料；特性

1 閥門密封概述

閥門密封按密封面是否接觸分為接觸密封和非接觸密封，靠密封力使密封面相互靠緊、接觸并嵌人以減小或消除間隙的各類密封稱為接觸密封；密封面間預留固定的裝配間隙，無需密封力壓緊密封面的各類密封為非接觸密封。根據接觸密封副是否有相對運動，閥門密封又分為動密封和靜密封：靜密封通常都屬于接觸密封，動密封既有屬于接觸型的，也有非接觸型。閥門通常有兩個部位需用到動密封結構，一是閥座、活閥處的密封，另一是運動桿導向密封。閥門動密封是閥門設計的關鍵點也是難點，其泄漏會影響系統的正常運行，造成較大的經濟損失，國內外航天歷史上多次出現由于閥門泄漏導致任務推遲或失敗的案例。隨著工業技術的發展，各種閥門對其動密封結構和材料的要求也越來越高，要求具有高耐磨性、高密封性以及較強的抗腐蝕性能等，以適應高溫、高壓及低溫等惡劣工況。

2 常見閥門動密封分析

2.1 形圈動密封結構

O形密封圈是以一種圓環形的密封元件，其所采用的材料一般為合成橡膠材料，也有使用金屬或其他非橡膠材料加工的。我國目前使用量最大的是合成橡膠材料的O形圈，常用的材料有硅膠、丁腈膠和氟膠等。該部件主要安裝在端面倒角槽和矩形溝槽中，也可以安裝在燕尾槽、偏矩形槽等其他形狀溝槽中從而構成一種密封結構。

使用0形密封圈要注意以下幾點：

（1）功防止出現擰扭和擠壓現象。密封件可能會由于壓力問題從縫隙中擠出，特別是因為沖擊壓力讓液壓缸產生變形導致間隙增大時，密封件就會從縫隙中擠出導致壓力消失，這時候就會引起全周擠裂而造成漏液，嚴重的甚至會造成事故。因此，使用0形圈時必須考慮靜態壓力和受壓缸體的變形影響，同時，可以在缸體低壓側適當的使用擋板來防止這種現象。

（2）0形圈表面不能有劃傷。裝備密封圈所通過的軸端、軸間必須修圓使其直徑要等于0形密封圈界面直徑，表面不能有生銹和毛刺。當刀痕方向與泄露方向一致時，如果是軸向密封，必定會造成漏液現象。如果是以拉伸狀態安裝0形圈時，軸面必須盡可能光滑并且涂以潤滑劑。

（3）正確安裝0形密封圈。在密封圈安裝時，要選擇合適的密封圈，保證密封圈有足夠的張力，使組裝定位的位置不偏離移動、下垂、部分吸入或擠出。

2.2 填料動密封結構

填料密封結構是閥門中應用最為廣泛的一種動密封結構，一般用在閥門閥蓋與閥桿之間的密封。填料密封包括壓蓋式密封和壓緊螺母式密封兩種基本形式。其工作原理是將填料裝入填料腔后，經壓蓋螺紋對它作軸向壓縮，由于填料的可塑性，在軸與填料相對運動過程中使填料產生徑向力，并與軸緊密接觸。同時，填料中浸漬的潤滑劑被擠出，在接觸面之間形成油膜，而未接觸的凹部形成小油槽，從而在接觸部位與非接觸部位組成不規則迷宮。阻止液流泄露。

對于填料動密封技術要注意以下幾點：

（1）為了確保填料成功，在結構上除了要提高方案與填料函的同軸度及各自幾何精度外，還應該保證填料函內孔和閥桿表面的光滑度，從而減少密封間隙，杜絕泄露。

（2）在工藝上，為了避免因介質對填料函、閥桿腐蝕形成的凹坑而產生的泄露問題，必須對填料函和閥桿進行防腐處理，如電鍍處理或選用不銹鋼材質都是不錯的選擇。

（3）填料要定期更換。填料在運行過程中會受到侵蝕、老化、磨損、溫度等因素影響，從而逐漸失去致密性能而導致漏液。

2.3 金屬波紋管密封結構

在常溫低壓下，0形環動密封和填料動密封技術都能滿足需求，然而在高溫、高壓、低溫、有毒或有腐蝕性介質閥門中，上述機械式動密封技術就無法達到零泄漏的密封要求，而金屬波紋管動密封技術卻能夠實現零泄漏，且高效、可靠。也因此，歐美國家以及中國、日本等國家在航空航天技術閥門領域都投入了大量人力物力對金屬波紋管動密封技術的研究和應用。

金屬波紋管動密封技術是通過金屬波紋管組合件來實現動密封作用的，這些組合件一般由金屬波紋管、法蘭連接件、蓋連接件組成。金屬波紋管主要依靠波紋管的彈性薄板材料所具備的彈性和強度，在組合件與閥門投一起移動時進行拉伸或壓縮，從而阻斷介質腔和氣控腔的泄露。在閥頭移動的全過程中，依靠金屬波紋管動密封實現運動副之間無摩擦、無接觸。金屬波紋管、法蘭盤連接件、蓋連接件通過手工或自動氫弧焊焊接、錫焊焊接、電子束焊焊接等技術手段實現連接。金屬波紋管動密封技術的關鍵部位是具有伸縮功能的金屬波紋管，它一般由2-3層U型不銹鋼OOCr17Ni14Mo2和高溫合金GH4169組成，具有以下特性：

（1）同時具有壓縮彈性和拉伸彈性。一般的閥門所使用的金屬彈簧大多只具備單向的壓縮性，而金屬波紋管則是一個既能壓又能拉的雙向機械彈簧，能夠在一定的范圍內自由壓縮和拉伸。

（2）金屬波紋管能夠在零下253攝氏度的低溫和500攝氏度的高溫環境下工作，是真正的耐低溫、耐高溫材料。

（3）金屬波紋管既能承受內壓作用，也能夠承受外壓的作用，一般能夠在20MPa罕30MPa的內壓和外壓環境下不失穩。

3 密封研究趨勢

閥門在未來實際工作過程中，面臨新的更嚴峻的應用環境和工作要求，將出現新的更為復雜的問題，極端環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容。

隨著市場對專業化、特殊化閥門的要求越來越高，單獨的新材料開發、密封結構的設計與改進以及基于此的密封性能研究已經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，在新材料的基礎上設計更優密封性能的密封結構是閥門未來發展的重要趨勢。

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

4 結語

閥門的主要工作原理是閥瓣相對閥座運功從而實現閥門的開關調節功能，而這個相對運動的其中一種技術手段就是運用動密封結構來保證閥門相對運動中的可靠密封和動作。閥門動密封技術是閥門設計的一個重難點，其結構設計的合理與否以及材料的選擇都會對間門的動特性和密封性造成很大的影響。本文通過介紹0形密封圈、金屬波紋管密封、填料密封三種主要的閥門動密封技術所采用的結構、材料及特性，以期為閥門動密封新技術的研究提供參考。

參考文獻：

[1] 劉德鑫.淺析電站閥門的密封性能[J].商品與質量，2017（16）.

[2] 陳松.閥門密封性分析及防護措施[J].內燃機與配件，2018（2）：235～236.