阀门密封的研究现状综述

彭结林，朱华炳，邝先进

(合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

阀门是管道系统中的重要部件，广泛应用于控制流体的流量、压力和流向等，被控制流体可以是气体、液体、气液混合体或固液混合体。阀门通常是由阀盖、阀体、阀座、驱动机构、启闭件、密封件和紧固件等组成。近年来，随着电力、冶金、石油、化工等行业的发展，间接促进了阀门行业的高速前进。阀门在大型化、高参数化、高性能、自动化[1]发展进程中存在诸多问题，其密封性能作为最重要的技术性能指标，仍是研究重点。

阀门的端法兰与管道之间的连接，中法兰与阀盖之间的连接，以及填料函与阀杆之间都存在密封的问题。前两者属于静密封，后者属于动密封，这些部位的泄漏介质会溢出系统之外，称外泄漏。阀门启闭件的密封，其介质的泄漏通常不会溢出系统，故称内泄漏。常见的阀门泄漏原因如表1所示。

密封的功能是防止泄漏。泄漏一旦产生，无论内泄还是外泄，阀门的密封性都将受到破坏，同时泄漏介质外流造成消耗增加、成本上升等。若易燃易爆 、有毒或有放射的介质泄漏，会发生中毒、火灾、爆炸和人身伤亡等事故。因而阀门必须具有可靠的密封性能。

1 密封失效及解决

阀门密封机构的失效是阀门存在的最为普遍问题之一，密封机构的失效导致泄漏是阀门在使用过程中常见的故障。因此优化密封机构，解决阀门泄漏问题是提高阀门使用寿命、扩大适用范围的关键。针对当前阀门泄漏问题，学者们进行了大量研究工作。

阀门密封失效的因素除去设计、制造、安装工艺上可能引起的缺陷，密封面磨损、密封面表面质量、密封焊缝开裂、塑性变形、腐蚀等同样会引起阀门密封失效。阀门在实际工作过程中，由于日常开启关闭，给密封结构带来了不可避免的磨损。韩兵奇等[2]针对填料的磨损进行了研究，袁成[3]研究了截止阀密封面的修复，分别提出通过多重密封，减小填料预紧力和研磨修复，加焊小螺栓，加垫软密封垫结构等措施有效改进密封机构。阀门与管道的连接方式中，对焊连接由于密封性能好，结构尺寸小等优点是一种重要且常用的连接方式。针对焊接阀门存在的泄漏的原因，马星等[4]研究表明焊缝金属承受了较大的焊接应力以及内部介质的压力，是密封焊缝开裂的主要原因，并在此基础上提出了改进措施。此外，郑道礼[5]分析了阀杆和阀盖处的泄漏原因并讨论了当前所应用的改善方法。Mnif R[6]通过实验研究球形阀密封件的摩擦磨损失效，结果表明聚合物密封摩擦行为取决于密封面的夹紧载荷和副球的操作频率。张潇等[7]针对目前抗硫球阀经常出现的密封面腐蚀泄漏等问题，以阀座密封面为研究对象，运用ANSYS进行接触分析，分析不同阀座结构及材料的密封性能，结果表明，在材料屈服极限内，普通夹层阀座相对弹性阀座具有最大的连续接触压力，为最优选型。

2 密封研究现状

针对当前阀门存在众多失效因素的情况，相应的密封研究不仅从问题本身着手，更多前瞻性的密封研究应在多方向上进行展开。纵观当前阀门行业密封的研究内容，最近的研究主要围绕着阀门密封材料的开发(尤其涉及特殊阀门、行业专用阀门)、密封结构设计及密封性能特性3个方向展开。

2.1 密封材料开发

伴随阀门运用的深入推广，阀门正逐步走入标准化、专业化、特殊化的发展轨道，更加严峻的运用领域对阀门提出了新的更高的要求，材料作为工业产品的物质基础，其选择首当其冲。阀门各部位对材料的要求如表2所示。

表2 阀门各部位对材料的要求

续表2

密封材料的开发首先是针对当前密封材料存在的局限性进行的新型材料的研制，如武鑫等[8]采用工程塑料改性技术，研制一种新型高分子材料改性PA，用作程控气动截止阀密封件。杨文光等[9]提出了一系列基于新材料及其复合材料的材料配方，形成了KT系列复合材料，并展望了新材料在阀门领域的应用前景。魏宏璞等[10]在针对核电阀门密封面现有堆焊材料都是含钴元素的基础上，设计了一种可以用于阀门密封面的无钴铁基合金粉末，用激光熔覆工艺在不锈钢基体上激光熔覆，改变了无钴材料不适合核电阀门密封面激光堆焊的现状。其次，当前现有密封材料的全新应用及尝试不同密封材料的搭配应用也是密封材料开发的研究内容。如廖传军等[11]介绍了7种阀门用动密封的结构、材料及特性，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。张宁等[12]针对3种低温控制阀阀座软密封聚合物材料的阀座密封泄漏率和压力之间的关系进行了实验，结果表明，PCTFE材料相比于PTFE和PEEK材料有优良的密封性能和更稳定的入口压力。张逸芳等[13]通过对常温下球阀的密封件进行有限元接触分析，结果表明，在球阀的密封结构中选用聚四氟乙烯作为阀座材料符合强度要求和密封变形限制。Matus D A[14]等基于非均匀材料特点对弹性密封设计的改进进行了研究，采用有限元分析法，利用密封面接触压力验证密封材料对密封性能的影响。

2.2 密封结构设计

密封结构的作用是造成一个相当封闭的空间，保证阀门可靠工作、实现阀门的设计功能和效率。通常按密封结构的运动状态，将密封结构划分为静密封和动密封。阀门密封的结构形式也影响着其密封性能，密封的结构形式分类如下所示。

在阀门密封结构的设计和改进过程中，李志鹏等[15]

设计了一种软硬组合密封的结构，充分利用硬密封承受压力大，橡胶软密封补偿性好、密封严的优点。张涛[16]通过分析了解造成电站锅炉排污系统和疏水系统中的关断阀内漏的原因主要是冲刷和压伤，研制出双密封面结构的截止阀，阀门采用倒流结构，在解决内漏问题的同时，也全面提高了排污、疏水阀门的使用寿命。雷吉平等[17]通过对双向硬密封零泄漏污水节能阀门整体结构进行有限元分析，从理论上找到阀门结构的薄弱环节，从而改进和优化该阀门的结构设计，实现了零泄漏和节能的效果。张建武等[18]通过倒装密封、碟形弹片的补偿密封和一种双向静密封阀座设计，增强了产品的密封性能，有效延长了闸阀的寿命。巫宗萍等[19]针对波纹管阀门的使用环境和要求，设计了其内外密封结构，采用梯形刀口的平面内密封结构，而阀门的外密封结构采用了与外界无漏点的波纹管密封，并通过优化使该阀门达到氦泄漏率≤1×10-9Pa·m3/s的密封精度。吴巧梅等[20]针对深海的特殊工况，设计出了满足内外受压的深海工况的多重密封的阀杆填料密封结构，通过主密封和副密封共三道密封，实现了内外压密封，并通过密封试验发现在内压高达55 MPa时填料部分没有发生泄漏。Zhu B[21]设计了一种采用膜片式密封的新型先导式压力溢流阀，该阀能较好地解决主阀芯与套筒之间的密封和润滑问题。此外，Linser M J[22]设计了一种用于同时布置动密封和静密封的双级密封结构，特别适用于控制阀。Yamada Y[23]等设计了一种真空阀的外部密封结构，采用由含氟树脂组成的环形密封件放置在上端板和阀体之间达到防止气体泄漏的目的。

2.3 密封性能特性

阀门的密封性能特性研究主要涉及密封结构的密封原理，密封结构与泄漏率之间的影响关系以及密封性能的分析方法等方面。

研究阀门的密封性能离不开阀门的密封结构，因此从密封结构的原理着手，是很多学者研究阀门密封性能的出发点。潘明浩[24]从阀门密封性的原理出发，针对泄漏的不同部位和程度，提出不同的防漏措施。孔立群等[25]通过研究钢管水压试验机水路阀门密封面密封原理，针对水路阀门中的锥面密封给出了密封面设计参数的计算方法，并通过计算得出了密封面宽度和密封力对密封面密封性能的影响。阀门密封性能的好坏，泄漏率是重要的性能指标。刘厚君等[26]研究了密封比压与泄漏率的关系，得出了试验工况下密封比压计算修正系数，为低温密封结构设计提供依据。孙法国等[27]从力学角度建立阀门泄漏率计算公式，并以有限元方法建立阀门泄漏率计算模型，从而实现了阀门泄漏率的初步量化分析和计算。除泄漏率之外，陈敏等[28]采用不同位移压缩下密封界面上的接触压应力以评价密封性能等。此外，Krishna M M等[29]采用有限元分析法对螺栓法兰连接用垫片密封性能进行了研究，通过有限元分析模型得到密封垫的加载和卸载特性，分析表明，接触应力的分布影响着其密封性能。Ahn J T等[30]针对低温蝶阀用弹性固体金属密封材料的密封性能进行了研究。Sun R等[31]为了提高阀门密封的检测精度，提出了一种基于气体传感器的阀门密封性检测方法，利用检测单元内测得的气体浓度差来计算阀门泄漏率。刘坤芳等[32]分析了阀杆与阀盖间填料密封结构的原理及影响填料密封的主要因素，并列举了几种典型的填料密封结构，为阀杆密封选用合理的填料密封结构提供依据。胡锦等[33]通过对天然气阀门关闭件密封副密封原理的分析研究，分析密封副泄漏规律，找出减少和避免泄漏的方法，并提出天然气阀门应尽量采用双质密封结构的阀门。

3 密封研究趋势

综合阀门当前存在的问题及密封研究现状，针对当前阀门密封存在的主要问题及相应的解决措施，各种方法都具有重要的参考价值，可以在阀门密封设计和修复过程中予以借鉴。当前阀门密封的研究内容和研究方法，拓展了当前阀门应用的材料和结构，各研究方法具有推广价值。未来阀门密封研究的焦点应该会从以下几个方面进行展开。

1) 阀门在未来实际工作过程中，面临新的更严峻的应用环境和工作要求，将出现新的更为复杂的问题，极端环境下的阀门密封失效及解决方案仍然是科研工作者研究的重点内容。

2) 随着市场对专业化、特殊化阀门的要求越来越高，单独的新材料开发、密封结构的设计与改进以及基于此的密封性能研究已经不再能满足市场的需要，未来的研究将会重点围绕三者的综合开发，在新材料的基础上设计更优密封性能的密封结构是阀门未来发展的重要趋势。

3) 阀门及管道线路的自动化是管道运输发展的必然趋势，相应的自动化阀门密封研究也是未来发展一个重要趋势。

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