基于Archard理论的硬密封磨损寿命分析

王祺武，李志鹏，，李 捷

（1.长沙理工大学 能源与动力工程学院，长沙 410114；2.湖南省特大口径电站阀门工程技术研究中心，长沙 410007）

0 引言

泄漏是阀门使用中常见的故障，密封件相互接触产生磨损量的累积是引起密封失效的主要原因之一，严重时甚至造成安全事故。因此，有必要对阀门启闭过程中的密封磨损情况进行研究分析。

SCHMIDT 等[1]基于 Archard磨损模型，通过有限元软件二次开发功能求解了O形圈的磨损量。冯占荣等[2]应用有限元法对关闭状态下的硬密封球阀密封性及应力进行分析，解决了阀门泄漏的问题。偶国富等[3]建立了球阀的主密封结构有限元模型及密封性能评价模型，采用硬接触小滑移算法对密封副接触进行了非线性有限元分析，得到了金属硬密封球阀主密封面密封比压变化规律。LI等[4]利用有限元仿真模拟了环形密封件的磨损状况，发现随着时间的推移，密封表面逐渐消耗，致使密封表面的最大接触压力快速下降并逐渐保持平稳。常凯[5]基于Archard摩擦磨损模型，利用有限元仿真软件ANSYS结构和热分析功能，提出了一种适用于O形旋转密封圈的磨损模拟方法。华剑等[6]对金属陶瓷硬密封副密封比压采用赫兹弹性接触理论分析，并建立了密封性能评价模型。孔翔等[7]建立了金属密封副有限元模型并进行泄漏分析，通过修改各结构参数分析得到泄漏影响趋势，对阀门进行了新的设计。

硬密封阀门因其能正常工作在较高温度和介质压力下，并具有良好的密封性能和耐磨性，在炼油、煤煤化工和传统电站疏水系统及发电厂等各个领域被广泛应用。目前对于阀门泄漏分析对其结构设计和改进方面的研究较多，软密封阀门的研究分析已趋于成熟，而硬密封阀门密封性能的分析报道较少[8]，硬密封主要是通过硬-硬接触来实现良好的密封性能，接触过程中对密封副的磨损将会是导致阀门密封失效产生泄漏的重要原因。因此本文基于Archard理论，通过有限元软件辅助分析，模拟摩擦副之间相对滑动，得到不同阶段下密封的磨损深度及磨损量，分析密封副之间的磨损趋势及使用寿命，给阀门设计提供一定的帮助。

1 主要参数

本研究采用某公司DN1100PN16的水电站进水阀硬密封蝶阀模型，密封圈直径20 mm，密封面内径1 026 mm，初始密封面挤压量为0.08 mm。提取其密封副局部结构如图1所示，关阀时，阀板顺时针旋转，蝶板密封面与阀座相接触产生微小变形而实现密封效果，主要部件参数见表1。

图1 密封接触面结构Fig.1 Structure of sealing contact surface

表1 各零部件主要参数Tab.1 Main parameters of each part

2 Archard磨损模型

本文采用Archard提出的简单的粘着磨损计算公式[9]。其模型如图2所示，假设接触表面是由球形微凸体组成，接触变形的区域是圆形，半径为r，当接触发生时微凸体发生塑性变形。

图2 磨损简化模型Fig.2 Simplified wear model

接触微凸体的面积为Ai=πr2，其体积实际接触面积与载荷成正比表示为：

式中 σs——材料的屈服极限，Pa。

n个微凸体所承受的这个表面的总载荷可表示为：

假设每当擦过一个微凸体就会产生一个半圆球磨屑，当一个微凸体滑动了2r时其磨损量为n个完整的微凸体，磨损度W表示为：

当两个表面相对滑动了L的距离，并考虑法向正压力的数值超过材料的屈服极限σ3时，接触面将遭受磨损破坏。此时磨损量可以表示为如下关系式：

由于摩擦接触过程中产生磨屑是有一定概率的，因此引入磨损系数 Kf[10-12]，有：

式中 VQ——磨损体积，m3；

Kf——磨损系数，代表摩擦副的性能；

N——接触表面的合力，N；

σs——屈服极限，Pa；

L——两摩擦副的相对滑动位移，m。

Kf由摩擦副材料、摩擦表面粗糙度及摩擦条件等决定，在空气介质中，具有良好润滑的金属表面，Kf=10-8～10-7；润滑不良的表面 Kf=10-4～10-5；洁净表面 Kf=10-3～10-4。XIA 等[13]在 Optimol SRV振荡式摩擦和磨损测试仪上进行了磨损实验，得到由GCr15和06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢组成的摩擦副磨损系数Kf=9.66×10-7，徐向阳等对06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢和GCr15刚球进行磨损实验计算出磨损系数 Kf=1.0×10-5[14]。本文保守计算取Kf=10-5。

阀座密封面处介质作用力为：

式中 FMJ——密封面处介质作用力，N；

DMN——密封面内径，mm；

bM——密封面宽度，mm；

p ——设计压力，MPa，取公称压力的1/10。

磨损区域大致如图3所示，由几何关系得出密封件被磨损的体积，式（5）可知单次被磨损量，从而计算出阀门可启闭次数。

图3 磨损区域示意Fig.3 Schematic diagram of the wear area

3 接触区有限元仿真分析

使用Workbench平台下静力学分析模块，为减少计算量将模型简化成二维模型，O形密封圈与阀座密封件之间采用摩擦接触，根据硬密封材料，摩擦因子取0.1，使用增强拉格朗日算法，O形圈与阀板之间采用绑定接触。

整体网格采用1 mm尺寸，在O形密封圈与阀座密封接触部位采用局部网格加密，网格无关性检验结果见表2。

图4 网格示意Fig.4 Schematic diagram of grids

表2 网格无关性检验Tab.2 Grid independence test

保证计算精度的同时考虑计算量的大小，选取加密部位尺寸为0.05 mm的设置，得到接触压力如图5所示。提取接触面压强和穿透量，并将接触区域由下至上依次编号见表3，各节点间隔0.05 mm。

图5 首次接触时压力云图Fig.5 Pressure nephogram at first contact

表3 首次接触时节点压强及穿透量Tab.3 Nodal pressure and penetration at the first contact

从图5可以看出，密封的磨损中间部分较深，向两边依次递减，符合圆形边缘的磨损趋势。由于有限元软件对微小变形并不敏感，在仿真分析时会出现算法自动填补微小变形区域的情况。因此将0.08 mm挤压量全部磨损掉的整个磨损失效问题分解成4个步骤，根据前一次的仿真结果建立下一次的仿真有限元模型，间隔0.02 mm挤压量。

根据首次计算结果，由表3中数据计算得接触面平均压力为1 389 308 N，当磨损深度h达到0.02 mm时阀门的启闭次数为557次。

随着磨损深度的增加，摩擦副的相对位移距离会变大，摩擦副之间的挤压量变小，无法判断密封面上接触压力的变化趋势。建立0.02 mm磨损深度的模型，进行仿真分析，得到其接触面上压强和穿透量见表4。

表4 磨损深度为0.02 mm时压强及穿透量Tab.4 Pressure and penetration when the wear depth is 0.02 mm

从表中看出，随着磨损的继续，摩擦副接触区域有所增加。计算得接触面上平均压力为1 852 191 N也增加明显，这是因为密封接触压力的减少量比接触面积的增加量要小，导致整个密封面平均接触压力增大。此外，可以看出最大接触压力出现在顶部接触区域，这是因为随着磨损深度的增加，在顶部区域形成了尖锐形状，而顶部区域又是最先接触区域，所以导致出现了最大接触压力。计算出当磨损深度到0.04 mm时阀门启闭次数可达1 444次。

继续按照磨损趋势修改模型，建立0.04 mm磨损深度的模型，进行仿真分析。其接触面上压强和穿透量见表5。可以看出靠下方压力及穿透量较大，但是从表中看出穿透量都在一个数量级，差别不是很大，较为平稳，平均接触压力也下降到了1 306 203 N。计算出磨损深度到0.06 mm时阀门启闭次数可达3 012次。同样建立0.06 mm磨损深度模型进行仿真分析。结果见表6。

表5 损深度为0.04 mm时压强及穿透量Tab.5 Pressure and penetration when the wear depth is 0.04 mm

表6 磨损深度为0.06 mm时压强及穿透量Tab.6 Pressure and penetration when the wear depth is 0.06 mm

从表中可以看出此次磨损趋势和首次磨损大致相同，但接触区域扩大两倍而接触压力及穿透量缩小了一个数量级。这是因为密封副已经度过了磨合期，被磨损部件基本趋近于整平，与前一阶段0.04 mm磨损深度下仿真结果相比，压强值和穿透量的变化也不再剧烈，磨损率已经变得稳定。计算得当磨损深度到0.08 mm时，也就是密封面间无挤压量密封失效时，阀门可启闭5 854次，满足了中国电站阀门优等品4 000次启闭的标准。

从宏观来看，在第4次模拟仿真时得到的磨损趋势与首次相同，因此推测，在密封面接触磨损过程中，可看作每3次为一磨损周期，首次接触时磨损趋势与接触面形状相符合；第2次接触时在首先受到挤压的上部分区域磨损较大；第3次接触时下方区域有出现接触压力略大情况，但是整体差别并不明显，磨损情况较为平稳。

4 结论

（1）基于Archard磨损模型，通过离散化磨损深度，利用ANSYS有限元软件模拟仿真阀门密封副之间的磨损情况。提出了预测密封面磨损情况的方法及流程，解决了阀门设计之初不适合耗费大量财力物力来实验预测密封材料磨损情况的问题。

（2）以密封副初始挤压量0.08 mm为例，计算当0.02 mm磨损深度时，密封中间部分磨损剧烈，阀门已启闭557次；当0.04 mm磨损深度时，密封靠上区域磨损较为严重，阀门已启闭1 444次；当0.06 mm磨损深度时，密封靠下区域磨损略大但整体已趋近平稳，阀门已启闭3 012次；当挤压量被磨损完全时，阀门已启闭5 854次。

（3）以0.02 mm磨损深度为间隔，通过仿真分析，根据穿透量分析密封面的磨损趋势，以初始挤压量0.08 mm被完全磨损为密封失效临界，根据压强计算平均接触压力，推算出阀门拥有5 854次的启闭寿命，在阀门设计之初指导工程人员的设计，保证阀门的服役质量，利于阀门密封结构的创新。