阀门动密封的常用结构、材料及特性

周晓普

摘 要：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，随著电力、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。分别从材料开发、结构设计和密封性能3个方面归纳了当前阀门密封的研究内容，对阀门密封的发展趋势进行了预测。

关键词：阀门动密封；结构；材料；特性

1 阀门密封概述

阀门密封按密封面是否接触分为接触密封和非接触密封，靠密封力使密封面相互靠紧、接触并嵌人以减小或消除间隙的各类密封称为接触密封；密封面间预留固定的装配间隙，无需密封力压紧密封面的各类密封为非接触密封。根据接触密封副是否有相对运动，阀门密封又分为动密封和静密封：静密封通常都属于接触密封，动密封既有属于接触型的，也有非接触型。阀门通常有两个部位需用到动密封结构，一是阀座、活阀处的密封，另一是运动杆导向密封。阀门动密封是阀门设计的关键点也是难点，其泄漏会影响系统的正常运行，造成较大的经济损失，国内外航天历史上多次出现由于阀门泄漏导致任务推迟或失败的案例。随着工业技术的发展，各种阀门对其动密封结构和材料的要求也越来越高，要求具有高耐磨性、高密封性以及较强的抗腐蚀性能等，以适应高温、高压及低温等恶劣工况。

2 常见阀门动密封分析

2.1 形圈动密封结构

O形密封圈是以一种圆环形的密封元件，其所采用的材料一般为合成橡胶材料，也有使用金属或其他非橡胶材料加工的。我国目前使用量最大的是合成橡胶材料的O形圈，常用的材料有硅胶、丁腈胶和氟胶等。该部件主要安装在端面倒角槽和矩形沟槽中，也可以安装在燕尾槽、偏矩形槽等其他形状沟槽中从而构成一种密封结构。

使用0形密封圈要注意以下几点：

（1）功防止出现拧扭和挤压现象。密封件可能会由于压力问题从缝隙中挤出，特别是因为冲击压力让液压缸产生变形导致间隙增大时，密封件就会从缝隙中挤出导致压力消失，这时候就会引起全周挤裂而造成漏液，严重的甚至会造成事故。因此，使用0形圈时必须考虑静态压力和受压缸体的变形影响，同时，可以在缸体低压侧适当的使用挡板来防止这种现象。

（2）0形圈表面不能有划伤。装备密封圈所通过的轴端、轴间必须修圆使其直径要等于0形密封圈界面直径，表面不能有生锈和毛刺。当刀痕方向与泄露方向一致时，如果是轴向密封，必定会造成漏液现象。如果是以拉伸状态安装0形圈时，轴面必须尽可能光滑并且涂以润滑剂。

（3）正确安装0形密封圈。在密封圈安装时，要选择合适的密封圈，保证密封圈有足够的张力，使组装定位的位置不偏离移动、下垂、部分吸入或挤出。

2.2 填料动密封结构

填料密封结构是阀门中应用最为广泛的一种动密封结构，一般用在阀门阀盖与阀杆之间的密封。填料密封包括压盖式密封和压紧螺母式密封两种基本形式。其工作原理是将填料装入填料腔后，经压盖螺纹对它作轴向压缩，由于填料的可塑性，在轴与填料相对运动过程中使填料产生径向力，并与轴紧密接触。同时，填料中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成油膜，而未接触的凹部形成小油槽，从而在接触部位与非接触部位组成不规则迷宫。阻止液流泄露。

对于填料动密封技术要注意以下几点：

（1）为了确保填料成功，在结构上除了要提高方案与填料函的同轴度及各自几何精度外，还应该保证填料函内孔和阀杆表面的光滑度，从而减少密封间隙，杜绝泄露。

（2）在工艺上，为了避免因介质对填料函、阀杆腐蚀形成的凹坑而产生的泄露问题，必须对填料函和阀杆进行防腐处理，如电镀处理或选用不锈钢材质都是不错的选择。

（3）填料要定期更换。填料在运行过程中会受到侵蚀、老化、磨损、温度等因素影响，从而逐渐失去致密性能而导致漏液。

2.3 金属波纹管密封结构

在常温低压下，0形环动密封和填料动密封技术都能满足需求，然而在高温、高压、低温、有毒或有腐蚀性介质阀门中，上述机械式动密封技术就无法达到零泄漏的密封要求，而金属波纹管动密封技术却能够实现零泄漏，且高效、可靠。也因此，欧美国家以及中国、日本等国家在航空航天技术阀门领域都投入了大量人力物力对金属波纹管动密封技术的研究和应用。

金属波纹管动密封技术是通过金属波纹管组合件来实现动密封作用的，这些组合件一般由金属波纹管、法兰连接件、盖连接件组成。金属波纹管主要依靠波纹管的弹性薄板材料所具备的弹性和强度，在组合件与阀门投一起移动时进行拉伸或压缩，从而阻断介质腔和气控腔的泄露。在阀头移动的全过程中，依靠金属波纹管动密封实现运动副之间无摩擦、无接触。金属波纹管、法兰盘连接件、盖连接件通过手工或自动氢弧焊焊接、锡焊焊接、电子束焊焊接等技术手段实现连接。金属波纹管动密封技术的关键部位是具有伸缩功能的金属波纹管，它一般由2-3层U型不锈钢OOCr17Ni14Mo2和高温合金GH4169组成，具有以下特性：

（1）同时具有压缩弹性和拉伸弹性。一般的阀门所使用的金属弹簧大多只具备单向的压缩性，而金属波纹管则是一个既能压又能拉的双向机械弹簧，能够在一定的范围内自由压缩和拉伸。

（2）金属波纹管能够在零下253摄氏度的低温和500摄氏度的高温环境下工作，是真正的耐低温、耐高温材料。

（3）金属波纹管既能承受内压作用，也能够承受外压的作用，一般能够在20MPa罕30MPa的内压和外压环境下不失稳。

3 密封研究趋势

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。

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。

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。

4 结语

阀门的主要工作原理是阀瓣相对阀座运功从而实现阀门的开关调节功能，而这个相对运动的其中一种技术手段就是运用动密封结构来保证阀门相对运动中的可靠密封和动作。阀门动密封技术是阀门设计的一个重难点，其结构设计的合理与否以及材料的选择都会对间门的动特性和密封性造成很大的影响。本文通过介绍0形密封圈、金属波纹管密封、填料密封三种主要的阀门动密封技术所采用的结构、材料及特性，以期为阀门动密封新技术的研究提供参考。

参考文献：

[1] 刘德鑫.浅析电站阀门的密封性能[J].商品与质量，2017（16）.

[2] 陈松.阀门密封性分析及防护措施[J].内燃机与配件，2018（2）：235～236.