仪表阀门密封分析与计算

（浙江锋源仪表有限公司，浙江富阳 311400）

目前仪表阀门被广泛应用于化工、天然气、医疗等各行各业的管道运输中，它通常与仪器仪表进行配对使用。仪器仪表用于对系统中管道信号的读取，仪表阀门是一种管路附件，主要是用来改变通路断面和介质流动方向，控制输送介质流动。而仪表阀门的密封性是指仪表阀门对于管道中运输物质的阻断能力，它是仪表阀门最基础也是最重要的技术指标。而且随着工业的不断发展进步，各行各业对于仪表阀门密封性等综合性的要求越来越高，不仅需要它的密封性很好，还需要它具有高安全性、高稳定性和经济实惠。所以现在的制造企业会将仪表阀门进行集成小型化来使它的造价更便宜，同时使用更好的材料和设计来使仪表阀门的密封性更好更稳定，同时企业也在进行更多的研究和实验计算，以求得到更加丰富的数据去进行仪表阀门密封性的研究[1-2]。

1.密封填料的受力分析

目前市场上的大部分仪表阀门填料密封结构都和图1所示相差不大，它主要利用工作人员在进行填料螺母转动的时候，使其作用力作用到密封填料上面，使填料被挤压变形，从而消除填料与阀杆、填料函之间的间隙，以此来实现仪表阀门的密封。同时在填料被挤压的这个过程中就产生了轴向应力和径向应力，使得仪表阀门里面产生一定得密封比压，通过这个密封比压使阀门密封，是得密封性能更好，填料应力状态如图2所示。当企业生产过程中的加工工艺可以使得密封填料内外圆同心，通过仿真的分析可以得到以下的数据，填料在轴向应力P的作用下产生的径向应力PX是非线性的，同时引入一个系数Y，使得计算中的PX/P=Y。当仪表在没有受到任何外界冲击和热能等外界因素的影响时，这样就不会产生其他的应力和能量损耗。在这样的条件下，填料截面在受力平衡后，通过系统受力分析可得轴向应力和径向应力随着填料的长度而减小，见图3。而仪表阀门在工作压力范围内，压力越大，密封性能越好，使用就需要填料的长度不能太长。

图1 仪表阀门填料密封示意图

图2 填料应力状态图

图3 径向应力示意图

图1中1是填料螺母，2是阀杆，3是密封填料，4是阀盖，D1和D2分别是填料外径和填料内径。H是填料的轴向长度。P 是指轴向应力。f1是填料与填料函（阀盖）的摩擦系数，f2是填料与阀杆的摩擦系数。

2.影响密封能力变化的因素

当我们给予密封填料一个初始的压力的时候，起到密封作用的轴向应力和径向应力会因为填料轴向长度的变成长而衰减，这样就会导致填料密封能力的减弱，降低仪表阀门的密封能力。而且影响仪表阀门密封能力还有填料内径和外径大小、填料与填料函的摩擦因数、填料与阀杆的摩擦因数等因素有关。当填料与填料函的摩擦因数、填料与阀杆的摩擦因数增加以后，会使填料中的轴向应力和径向应力降低，从而影响仪表的密封能力。并且因为填料外径和填料内径的比值是大于一的，因此填料与阀盖的摩擦系数对于轴向应力和径向应力的影响要明显大于填料与阀杆的摩擦系数对于轴向应力和径向应力的影响。当填料与阀盖的摩擦系数大于填料与阀杆的摩擦系数的时候，填料外径和填料内径的比值越大，径向应力降低得越快，这样的情况下仪表阀门的密封性就会变得更差。当填料与阀盖的摩擦系数小于填料与阀杆的摩擦系数的时候，填料外径和填料内径的比值越大，径向应力降低得慢，对于仪表阀门的密封性更加有利。PX/P=Y中的Y值对于径向应力的影响是矛盾的，在摩擦系数f1和f2以及填料外径和填料内径均在固定的设计值下的时候，要是径向应力达到最大，就有一个最合适的Y值。但是在实际的生产过程中，填料外径和填料内径是由结构设计决定的，而填料与填料函（阀盖）的摩擦系数于填料与阀杆的摩擦系数是由材料和加工工艺决定的，所以最佳的Y值是由填料的高度决定的。

3.填料尺寸的对比分析

由图1所示的高压仪表阀门的阀杆密封结构可以知道，这个阀门的密封填料采用的是碳纤维材料，这种材料有着很好的自润滑性，可以大大的减小填料与填料函的摩擦因数、填料与阀杆的摩擦因数。并且阀盖的填料函精加工、表面粗糙度达Ra0.4，阀杆采用硬化抛光处理、表面粗糙度可达 Ra0.2，我们取 f1=0.2、f2=0.1；填料设计外径D1=12mm、内径D2=8mm。为了分析，计算在不同填料高度H的情况下径向应力PX的值。其中YG为每种规格的最佳Y值，YM和YN为给定Y值。为便于对比分析，取YM=YG-0.1，YN=YG+0.1。通过分析这个表格，可以发现不管设定的YM和YN是比YG大还是比它小，它的PXG依然大于PXM和PXN。只有当填料的Y值为最佳的YG时，我们才能得到最佳的轴向应力和径向应力。所以企业在进行生产填料设计的时候应该选取最佳的Y值或者靠近Y值的数值，这样才能得到最佳的压力。填料的高度过高或者过低，对于仪表的密封性能都不好。而且当填料高度很高的时候，密封的面积就会变得更大。这样的话，在阀门长期工作中，会加大阀门的操作扭矩以及疲劳磨损，由此会降低仪表阀门的使用寿命。而且因为填料使用的材料不同，它们的表面和阀杆的表面并不是百分之百光滑的，也会有不同程度的划痕和损伤，这些缺陷在密封的表面分布散乱，如果填料高度太低，缺陷就可能会贯穿整个密封表面，从而产生泄露，所以我们在选择填料高度的时候一定要注意，不能太大也不能太小。

4.结语

仪表阀门密封性的好坏是决定一个仪表阀门质量最重要的指标，而且现在仪表阀门被应用于各种各样的企业生产中，它的质量越来越受到大家的重视。从文中可以得知仪表阀门密封性能的提高不仅仅需要填料结构尺寸合理安排，也需要密封副表面比较光滑，有较低的摩擦系数。现在的加工工艺和新型材料的使用已经能够基本保证密封副表面十分光滑，摩擦系数较小。但是目前对于填料尺寸的选择，还没有十分具体的标准，目前很多都是靠工作人员的经验。在实际的阀门生产过程中，在不同的压力下，公称尺寸需要使用不同的填料尺寸，就算是一个阀门当它使用的是不同填料的时候，它所受到的轴向应力和径向应力也是不同的，也需要不同的填料尺寸才能达到最佳的密封性能，所以在实际的生产过程中想要得到最佳的填料结构尺寸是很困难的。图1所示的仪表阀门填料结构是可以补偿式的密封结构，它可以在不进行阀门拆卸和不泄放介质压力的前提下，通过再次将填料螺母的拧紧来补偿因为填料受损和热胀冷缩引起的阀门泄露，在一定的程度上降低密封性性能对填料尺寸的依赖。这样的设计相比较平常的阀门设计更加有优势。在以后的阀门设计过程中，应该先进行理论上的计算，在理论计算的基础上。通过不断创新、不断生产实践和验证改进，最后才能得到更好的设计结构和更加合理的设计尺寸。