阀门密封性能的研究进展

于龙杰 钱锦远 金志江

(浙江大学化工机械研究所 浙江杭州 310027)

阀门作为过程流体系统的重要部件，具有调节、导流、稳压、泄压等功能，广泛应用于各个领域，小到生物医学、精密仪器等领域使用的各样微型阀门，大到电力、石化、冶金、化工等领域使用的各种大型工业阀门。阀门输送的介质同样多种多样，有气体、蒸汽、液化气体、临界液体等，甚至某些介质具有易燃、易爆、有毒、腐蚀性等危险特性。但作为过程流体系统主要的泄漏源之一，世界上有1/3的阀门失效来源于密封失效，阀门密封失效造成事故损失尤为严重，因此，作为实现阻断，防止外漏、内漏的重要部件，阀门密封的可靠性问题受到广泛关注[1]。

阀门密封性能是指阀门各密封部位阻止介质泄漏的能力，是阀门重要的性能指标。其研究内容主要涉及密封结构的密封原理、密封表面形貌与泄漏率之间的关系、密封面比压计算、密封接触表面缺陷、内部工作介质影响(汽化、汽蚀、腐蚀、过流介质冲刷、侵蚀、污损等)以及密封材料等方面。因此，可知决定密封性能的因素很多，密封失效通常是在多种因素的影响下发生的，需充分考虑各种影响密封性能的因素。随着工业设备逐渐向高温、高压、大流量等高参数方向发展，过程流体系统对阀门密封性能提出了更高的要求，阀门密封性能的研究也逐渐成为阀门研究领域的重要研究方向。为此，本文作者在综述国内外阀门密封性能研究的基础上，总结了接触方面、运行损伤方面等因素对阀门密封性能影响，以及阀门密封性能研究亟待解决的科学问题和未来发展的方向。

1 阀门密封结构原理

阀门密封的原理是借助流体压力、弹性元件作用力和预压缩产生的密封力使密封副相互接触、嵌入，减小密封面之间的间隙，同时借助液体在间隙间的表面张力等，将阀门泄漏量降低到规定值。

大型工业阀门主要密封部位为阀门启闭件处、中法兰与阀盖处以及填料函与阀杆处，按不同运动状态，密封结构可分为静密封和动密封，其中，填料函与阀杆处为阀门动密封结构，要注意介质不能随阀杆的运动而泄漏。按材料的不同，密封结构可分为硬密封和软密封，硬密封是金属和金属之间的密封，故也称金属密封面，相对于软密封，阀门硬密封虽然其造价更昂贵，但密封性能更好，使用寿命更长。阀门密封结构与材料需依据工作介质、温度、压力以及阀门力矩大小等因素进行合理选择。

2 阀门密封接触特性研究

2.1 密封比压计算及研究

密封比压为密封面上单位面积承受的压力，是衡量密封面密封性能的重要指标。密封比压过大会造成密封面损伤，过小会造成介质泄漏，因此，在阀门密封设计时需要做出规定。工程上一般通过密封比压的经验公式计算密封比压平均值，但是，随着数值计算的发展，许多研究者利用有限元方法进行阀门密封面的接触研究(见表1)，计算阀门的密封比压大小及其分布规律，相比于传统经验公式计算可获得更加准确的结果。当然，对于不同阀门需要考虑不同的加载条件，进行合理设置。

表1 球阀密封比压有限元分析研究典型案例Table1 Typical cases of finite element analysis on specific pressure of ball valve seal

对于密封比压的研究不仅停留在准确计算上，更多研究者希望寻找密封比压及其影响因素之间的规律，进而用于指导密封结构的设计。阀门内外介质的压力作为影响密封比压的重要因素，需合理地将其考虑到密封的设计当中，如深水球阀随着深度变化，海水静压力的外载荷会改变，进而影响阀门密封比压与性能[7-9]。此外，浮动球阀、 蝶阀等阀门内介质载荷变化也会对密封比压产生影响[10]。

密封副的结构参数对密封比压也具有重要影响，密封比压的大小与金属密封面弹性模量、密封层厚度以及密封面宽度等参数相关。许多学者针对多种结构参数对密封比压的影响进行了研究。唐洋等人[11]对深水测试防喷阀密封槽位置等参数开展研究，获得密封槽位置、密封面宽度、摩擦因数与密封比压分布和应力分布规律。何东升等[12]、YANG等[13]对智能井流入控制阀密封最大过盈量、密封圈接触面锥度等参数进行研究，通过计算径向金属密封接触应力，发现增大过盈量和锥度有利于提高密封性能。

虽然目前已有大量关于密封比压计算的研究，但仍存在以下问题：目前的研究基本是围绕球阀结构密封比压计算，研究手段单一，主要是通过对阀门密封接触结构进行有限元数值计算；此外，针对介质参数、结构参数对密封比压的影响研究较少。未来还应针对其他类型的阀门开展相关应用研究与影响研究，进而指导阀门密封的设计。

2.2 阀门密封接触模型

密封副间存在间隙且两侧存在压差是导致密封泄漏的根本原因。因此，为有效地预测密封结构的实际密封性能，分析接触界面间微观结构与流体渗流规律之间的关系也是研究阀门密封性能的重要内容。接触模型主要用于分析接触应力、接触面积与表面形貌间的关系。进行密封面粗糙表面的构造、接触研究是构建粗糙表面泄漏模型的基础，其方法主要有统计学方法[14]、分形方法[15]、有限元方法[16]。接触变形过程还要考虑纯弹性、弹塑性和全塑性变形情况，其中微凸体的弹塑性变形机制最为复杂[17]。

对于统计学方法构建粗糙表面，粗糙度、纹理作为最明显的表面特征，对密封的性能有着最直接的影响，对表面粗糙度等统计学参数进行准确测量，也是真实准确还原粗糙表面形貌的重要途径[18]。YANG等[19]、任晓等人[20]、吕祥奎等[21]基于高斯分布函数和指数自相关函数的统计学方法建立2个粗糙面密封间隙的三维几何模型(如图1所示)，进而通过数值方法分析材料力学特性、粗糙度参数、密封比压与气体密封性能之间的关系。

图1 生成各向同性粗糙表面三维轮廓图[20]Fig 1 The generated 3D profile of isotropic rough surface[20](a) βx=βy=5 μm;(b) βx=βy=10 μm; (c) βx=βy=50 μm

传统统计学模型对于描述不同尺度的高度标准差、取样长度、曲率标准差等都存在局限性，运用分形理论可较好地解决上述问题，得到密封接触表面泄漏通道的分形表征。当然，分形表征也需要满足一定条件，选择适合的表征方法，具体流程如图2所示。目前，已经发展了基于分形理论的Persson弹性接触力学模型[22]等较为成熟的模型，并在实际应用中取得较好的效果。

图2 分形模型的表征及重构流程Fig 2 Characterization and reconstruction process of fractal model

通过有限元模拟研究加载以及卸载条件下接触表面的变形也是构建密封间隙的有效方法。如FANG等[23]通过对单个粗糙峰机械接触变形的有限元分析，得到有效分离高度表征界面泄漏通道的特征尺度。KE等[24]采用有限元研究织物橡胶密封件与金属压板接触界面变形以及在不同的载荷位移和不同的接触应力下接触问题。

图3 粗糙表面和刚性平面之间的密封接触界面以及泄漏横截面示意[27]Fig 3 Schematic of the seal-contact interface between a fractal rough surface and a rigid flat plane, and the cross-section of leakage[27]

粗糙表面的接触模型在近年来得到较大发展，但仍存在以下挑战：各种模型都是基于一定的假设基础，与真实接触情况仍存在误差；接触过程中的变形状态也使接触的真实情况变得复杂,模型难以描述。

2.3 阀门密封泄漏预测模型

阀门密封泄漏预测模型是建立微观形貌与宏观泄漏率之间的理论关系式。密封间隙的泄漏流动属于微纳尺度流体流动，密封间隙视为层流流动，可采用基于连续流的N-S方程推导。偶国富等[28]根据N-S方程推导出流体介质在煤气化系统中锁渣阀的主密封结构球面缝隙中的流动模型，如图4所示。而对于间隙尺寸更小的情况，不满足连续性假设，需要基于粒子碰撞模型对泄漏进行模拟，张健[29]采用LBM-TRT方法建立金属密封粗糙面中微流动泄漏计算模型，通过实验对比满足一定精度。

图4 不同纹理表面泄漏示意[28]Fig 4 Leakage schematic of different texture surfaces[28](a)vertical texture;(b)isotropic texture; (c)horizontal texture

除采用上述方法进行阀门泄漏率预测外,也有研究者将阀门密封的2个接触面形成的区域视为具有微孔隙的多孔介质模型，通过分形模型建立了密封载荷与微孔结构之间的关系，将渗流力学引入泄漏机制研究[30-31]，以函数关系的形式建立泄漏通道与泄漏量之间的关系式，描述界面微孔结构对流体渗流的影响，给出了孔隙数、孔隙度、分形维数和流体渗透率随液体压力的变化规律[32-33]，并进行橡胶密封件泄漏率预测与实验验证，取得较好的精度[34-35]。

目前，阀门密封泄漏预测模型研究的主要问题是精度还不够，尤其是基于N-S方程推导的泄漏模型存在较大误差。现阶段，通过泄漏预测模型主要是定性分析某些参数的影响，更精准的密封泄漏预测需要结合粗糙表面的接触理论与渗透力学。总体来说这方面研究工作还有很长的路要走。

2.4 阀门密封热固耦合研究

温度的急剧变化，会在不同程度上降低阀门的密封性能。其根本原因是在高、低温阀门中，温度变化会导致密封部件产生热变形。热变形受到某些约束时，如位移约束或者相反的压力作用，就会在结构中产生热应力，温度梯度越大的区域产生的热应力会显著改变密封端面比压，对密封性能产生很大的影响。

因此，有必要对高、低温阀门进行温度场分析，研究其最大应力及变形出现的位置并确定热应力和变形的分布范围，以保证密封部件不发生能引起泄漏的严重变形。对此，许多学者采用热固耦合的方法对阀门密封进行研究，研究高温、高压、升温速率等对密封性能的影响，如表2所示。

表2 阀门密封热固数值耦合研究典型案例Table 2 Typical case study of thermo solid coupling about valve sealing

尽管采用数值模拟方法对高、低温阀门密封性能进行研究具有效率高、成本低等优势，但通过实验研究往往能反映密封材料在高、低温下真实特性。张希恒和周璟莹[41]结合超低温阀门使用条件，实验测试了6个温度下的PCTFE力学性能，发现其可以用作低温阀门密封材料使用。张宁等人[42-43]对比分析了采用不同软密封材料的低温阀在常/低温、低/中压工况下的密封性能以及应用特点，发现在低温工况下，采用PEEK软密封材料的低温阀阀座具有相对较高的密封性能和稳定性。

总体来说，实验研究是最直观可靠地检验高、低温阀门密封性能的研究手段，但若还原实际工况条件，实验成本高昂，因此，类似于上述的简化实验应在未来的研究中应引起关注。同时，由于热固耦合数值模拟研究具有成本低的优势，其在未来的高、低温阀门密封性能研究中会起到主流作用。

3 阀门密封损伤研究

3.1 密封汽蚀损伤研究

阀门汽蚀发生在压差较大的工况中，工作介质流过阀芯与阀底的节流面处流速增大，压力迅速降低形成气泡，介质里的气泡由于压力恢复产生爆裂，从而造成局部液压冲击，导致密封表面的腐蚀和点蚀。为此，刘丽莉[44]研究了高压差工况下阀门抗汽蚀冲刷的能力以及介质通过阀门的流动状态。此外，阀门的结构形式也会对密封面的损伤造成影响，对于流开型阀门，汽蚀和冲蚀主要作用在密封面上，对阀芯与阀座的密封面造成破坏；对于流闭型阀门，汽蚀发生在节流之后，对阀门密封面的性能影响较小。

优化阀门内部参数也是抑制或避免汽蚀对密封面损伤的重要方式，特别对于阀芯的优化。例如，HE等[45]对锥形节流阀阀芯影响汽蚀开展研究，发现减小阀芯锥角有利于节流阀的抗汽蚀和抗冲蚀，如图5所示。XU等[46]对水压安全阀的阀芯设计和阀座非光滑沟槽结构进行了参数化优化。

图5 节流阀在不同出口压力下的空化现象[45]Fig 5 Cavitation phenomena of throttle valve under different outlet pressures [45](a) numerical results；(b) experimental results

当下对汽蚀的影响研究主要关注点在阀芯部件，单单对密封汽蚀损伤的研究较少，未来应加强该方面的研究。此外，未来减少汽蚀对阀门密封面影响的研究工作应在于发展汽蚀判别方法，选择适合的技术方案设计，避免汽蚀发生，以及通过优化分析减小汽蚀对密封面的影响。

3.2 密封冲蚀损伤研究

在混合介质传输过程中，颗粒冲刷会对阀门密封产生强烈的冲蚀效应，进而导致密封失效，LIU等[47]通过数值模拟分析了蝶阀气蚀与颗粒冲蚀，结果表明，蝶阀的冲蚀主要发生在阀瓣的前后部，包含阀门密封面。此外，高温高压汽包连排阀阀座密封面容易出现许多被介质冲刷的深沟[48]，如图6所示。因此，对于输送含颗粒阀门有必要分析其流场特性和冲蚀特性。

图6 蝶阀冲蚀损伤图(a)[47]与阀座密封面(b)[48]Fig 6 Erosion damage diagram of butterfly valve(a)[47] and valve seat sealing surface(b)[48]

有研究工作者对阀门的阀芯和阀体尺寸等参数进行了优化研究，选择最佳的腔室尺寸来改变颗粒冲击，来达到减少冲蚀的目的。WANG等[49]基于侵蚀模型和响应面方法，采用多目标遗传算法对阀盖长度、阀盖外半径、阀室内径等参数进行了优化设计。

介质速度、颗粒粒径、颗粒含量以及阀门开度等介质参数对冲蚀的影响也较大，ZHENG等[50]发现高速流动和颗粒侵蚀会导致轴流调节阀内漏和流量抑制，并且随着阀门开度的增大，严重腐蚀区域将从挤压边缘向挤压件中心移动。ZHANG等[51]对箭型止回阀液固两相流冲蚀进行了研究，发现与进口速度相比，颗粒流量和颗粒直径对冲蚀的影响较小。ZHANG等[52]通过实验研究气体颗粒两相流动，改变阀开度、颗粒直径和颗粒质量流量，研究了颗粒气体在阀内的流动及其冲蚀特性。ASKARI和JOZAEI[53]采用数值模拟研究不同工况下工业球阀开度和颗粒浓度对减压站球阀冲蚀损伤影响。

目前，对冲蚀的影响研究主要集中在阀门内部件的损伤，对于阀门密封的失效影响关注不够。

3.3 密封冲击磨损研究

在阀门的快速启闭过程中，密封面会受到过快的冲击损伤，如三偏心蝶阀常常执行快速启闭功能，不成功的三偏心蝶阀设计通常会导致阀瓣与阀体发生干涉，使密封接口处发生冲击损伤，从而影响阀门的密封性能。KAN等[54]导出了三偏心蝶阀中密封副干涉的计算公式，描述了轴向偏移、径向偏移和偏心角3个设计参数对密封性能的影响。

此外，密封界面长期相对摩擦运动造成的摩擦磨损也是对阀门密封性能的极大考验。密封磨损量受许多因素影响，包括磨损副的硬度相互匹配，材料的耐磨性，密封副的加工工艺等，PROKOPOVICH等[55]发现球形密封的形状会对磨损率产生影响，合理设计密封面形状可以获得接触压力高磨损率低的阀门密封。FORSBERG等[56]模拟试验台阀门密封界面滑动行为，研究接触角、接触长度、阀头厚度、摩擦因数等不同参数对滑动摩擦的影响。BELFORTE等[57]提出了应用于商用气动滑阀密封件的设计，开发一种能够在干燥状态下工作紧凑的低摩擦密封。浙江大学特种控制阀研究团队，提出一种减磨损的阀门密封结构及其方法[58]，提高密封性的同时能减小动作下摩擦磨损的影响。

阀门密封的冲击与磨损是阀门长期运行下通常的密封失效形式。对于密封的冲击损伤研究，当下主要针对是蝶阀，未来应针对其他类型的快开阀门开展相关研究。而对于密封磨损研究，未来发展方向应借鉴摩擦学相关理论，通过改变摩擦界面的润滑状态与发展耐磨损的动密封材料等措施减少磨损。

3.4 密封材料工艺研究

除结构设计外，密封材料也是密封性能研究的重要方面。不锈钢波纹管密封阀是输送腐蚀性介质的一种典型结构，对密封面进行防腐蚀保护的波纹管的防腐蚀能力决定阀门的使用寿命。MUSTARI和TAKAHASHI[59]对波纹管密封阀的波纹管在350～500 ℃下进行了约1 500 h的低周疲劳的腐蚀断裂行为观察，如图7所示。

图7 不锈钢波纹管(a)及其密封阀示意(b)、波纹管腐蚀图(c)[59]Fig 7 Schematic of bellow(a),bellow-sealed valve(b)， corrosion diagram of bellow(c)[59]

在石油化工和核工业阀门应用领域，为提高防腐蚀性能，涂层防护是密封面防腐的重要形式，如316L型奥氏体不锈钢密封面必须采用钨铬钴合金等离子熔覆层进行防腐蚀保护，提高密封的使用寿命。密封面的修复材料也是提高防腐蚀性能的研究切入点，如研究电火花沉积钨铬钴合金涂层进行密封面熔覆涂层的修复[60]。此外，为了避免钴基合金的活化辐射，也有研究工作者进行核阀密封面激光熔覆无钴铁基合金粉末的替代研究[61]。

对于密封材料及涂层的研究不仅体现在提升密封面的抗腐蚀性能，也有研究者在寻找综合性能更优的密封材料。SHI等[62]研制了一种无钴镍基合金(Ni-SD)，其显微硬度不仅高于目前核动力阀门用钴基合金的硬度，还具有高耐磨性和耐高温等优点。DING等[63]进行控制阀阀座密封面激光熔覆钨铬钴合金混合堆焊，其比钨铬钴合金6堆焊具有更高的性能。MNIF等[64]在PTFE基体中加入颗粒填料可以稳定PTFE复合材料表面的转移膜，从而降低了PTFE复合材料的磨损。

综上可知，针对阀门密封损伤的各个方面，众多研究人员都在对材料开展相关研究，主要通过对材料的改进以及寻找新的替代材料，获得更优的密封性能。

4 结论与展望

总结了当前国内外对各类阀门密封性能的相关研究，如阀门密封接触特性相关研究，包括比压计算、接触泄漏模型以及热固耦合分析；阀门长期运行下的汽蚀、冲蚀等损伤研究；结构的合理设计以及阀门材料及工艺的研究等，得出以下结论与展望：

(1)完善阀门密封接触理论与泄漏预测理论：在阀门密封接触特性的研究方面，对于密封通道接触以及密封泄漏预测理论的研究还处于初始阶段，当下面临准确性不足以及数值计算资源消耗比较大等问题，对于实际的工程应用还存在较大差距。但随着这方面研究的发展，相信会对提升阀门密封性能产生重要意义。

(2)强化高参数工况下阀门密封的热固耦合计算：由于目前高端阀门向高温高压、大流量、大减压比等严苛工况发展，显著地提高了对阀门密封性能的要求。鉴于时间及经济成本的限制，预计密封的热固耦合协同计算是今后的重要发展方向。

(3)基于多种方法开展密封损伤因素的耦合研究：阀门密封损伤主要的形式有汽蚀、冲蚀、磨损、腐蚀、冲击等。因此，影响阀门密封性能的因素很多，且各种因素相互影响，相互促进，例如，密封的冲蚀损伤会加剧腐蚀磨损等损伤。未来应基于多种方法开展耦合研究，综合准确地评价阀门密封的损伤，通过优化结构参数、介质参数等减少阀门密封损伤的影响。

(4)推动高性能密封材料的研究：随着高端阀门的应用工况越来越严苛，提升阀门密封性能不能仅局限在结构优化，还应加强高性能密封材料的研究。推动高性能密封材料的研究也是未来提高密封性能重要途径之一。