高 杰

（神華寧夏煤業(yè)集團煤炭化學(xué)工業(yè)分公司甲醇制丙烯籌建處 寧夏 靈武 750411）

0 引言

密封性能的研究是指密封環(huán)的機械變形對密封性的影響，而變形量與接觸壓力是成正比例關(guān)系的，因此密封性能的研究也可以是密封面接觸壓力分布研究。影響密封環(huán)壓力分布和變形的因素有密封面加工質(zhì)量、密封環(huán)面積、壓力差或彈性元件慣性力大小、密封面材料特性及其處理狀態(tài)、介質(zhì)性質(zhì)、環(huán)境溫度、元件的剛性和結(jié)構(gòu)特點等。

1 卸荷閥密封的評價標(biāo)準(zhǔn)

造成密封失效產(chǎn)生泄漏的原因是密封環(huán)的變形量不同，即變形與密封性能之前存在聯(lián)系。而密封環(huán)的變形是與密封接觸壓力直接有關(guān)的，接觸壓力大，變形量大，反之接觸壓力小，變形量則小。因此可通過密封面接觸壓力的分布情況與密封性能之間建立聯(lián)系，為密封性能的好壞提供直觀的判別標(biāo)準(zhǔn)。

接觸壓力是由于工作壓力差作用，在密封環(huán)上產(chǎn)生高于工作壓力數(shù)倍的高壓，直接目的是擠壓密封接觸面，使其完全吻合，封閉介質(zhì)通路。因此，對接觸壓力的要求為：

1.1 接觸壓力應(yīng)分布均勻

固然接觸壓力是保證密封性能的有效性手段，但不是接觸壓力越大越好。因為接觸壓力的提高意味著受力增大，會使密封面發(fā)生變形而影響密封面的吻合，因此應(yīng)保證接觸壓力分布均勻。此處的均勻是指整個密封接觸環(huán)上的接觸壓力在各個徑向方向上具有相同的梯度變化，也就是周向分布均勻。密封面的變形量是與接觸壓力成正比的，因此徑向壓力分布梯度相同可以使密封環(huán)周向變形量相同，保證密封。當(dāng)接觸壓力分布嚴(yán)重不均時，高壓區(qū)域與低壓區(qū)域差值較大，周向分布趨勢會有很大差異，而變形量的差異將影響密封面貼合。當(dāng)密封面由于垂直度出現(xiàn)錐形時，這種影響將更大，高壓部分發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，而部分設(shè)計接觸區(qū)域可能還處于分離狀態(tài)，有明顯間隙存在，必然產(chǎn)生泄漏。此外，考慮高壓工況下應(yīng)力大及閥門的反復(fù)工作，累積的塑性變形將破壞密封平面度；且當(dāng)波紋帶發(fā)生周向轉(zhuǎn)動時，閥芯受到的傾斜力矩將發(fā)生變化，密封面變形更為復(fù)雜。因此，均勻的密封接觸壓力分布是保證密封性能的一個重要條件。

1.2 接觸壓力應(yīng)達到設(shè)計的密封比壓

此處的接觸壓力是指密封面平均接觸壓力。而設(shè)計密封比壓是指理論接觸壓力計算平均值。設(shè)密封比壓為Pc，則 Pc＝ΔP·S／Sc， 其中，S為工作壓力作用的有效面積，mm2；Sc為密封環(huán)接觸面積，mm2；ΔP為密封面兩端壓力差，MPa。

由于變形等因素的影響，實際的密封接觸面積比理論的接觸面積要小，即密封端面的平均接觸壓力要大于設(shè)計的密封比壓。

2 提高密封性能的途徑

2.1 規(guī)范波紋帶的加工及安裝過程

傾斜力矩的存在是密封面壓力分布不均的誘因。因此，減少或消除波紋帶產(chǎn)生的傾斜力矩，對降低不均度有最明顯的作用效果。

傾斜力矩的存在是波紋帶開口方向存在相位差導(dǎo)致的。因此，只要減小開口相位差，或者使其為零，即可減小或消除傾斜力矩。為了提升密封性能，應(yīng)針對波紋帶部分的加工和安裝分別制定技術(shù)規(guī)范，填補現(xiàn)有技術(shù)要求中的空白。

首先，同一閥芯裝配用波紋帶應(yīng)采用同一批次的產(chǎn)品，即波紋的軋制、剪斷及彎曲成環(huán)的過程均為一個批次的產(chǎn)品，盡量保證兩波紋帶的尺寸參數(shù)相同，使相同位置的波紋漲力相同。

其次，波紋帶端部截斷部分應(yīng)首先保證8個波紋的完整性，同時使多余部分盡量少，截斷位置盡量靠近波谷，使端部截斷處在彎曲成環(huán)后可與閥芯溝槽接觸。

再次，波紋帶的安裝相位角直接決定著傾斜力矩的大小。在安裝中，可通過在閥芯外徑表面畫刻標(biāo)記線的方法，使兩波紋帶開口相角盡量小或相同。

2.2 波紋帶結(jié)構(gòu)的改進

在規(guī)范了波紋帶的加工和安裝過程后，將傾斜力矩減少到最小，可以保證靜態(tài)密封過程中的密封性能。當(dāng)卸荷閥工作后，波紋帶可能發(fā)生轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致相角發(fā)生變化。由于主體密封結(jié)構(gòu)不可改動，只能對波紋帶相關(guān)結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，提高密封性能。

避免波紋帶在工作過程中的竄動，應(yīng)設(shè)計更合理的結(jié)構(gòu)。波紋帶是通過與閥芯和漲圈的接觸建立約束關(guān)系的，波紋帶要發(fā)生周向轉(zhuǎn)動，就需要克服閥芯和漲圈對其的摩擦力。因此，提高其摩擦力是限制波紋帶相角變化的有效途徑。

通過增加波紋帶中的波紋個數(shù)，可以提高其徑向剛度；在壓縮量及間隙一定的條件下，其徑向支反力將提高；而摩擦系數(shù)是只與材料有關(guān)的參數(shù)，在不改變材料的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)動摩擦力將加大。

波紋帶是由成型模具把平面帶狀軋制成波紋狀?？紤]到工具的加工和尺寸圓整，波紋曲率半徑應(yīng)是離散的，如4.5mm、4mm、3.5mm、3rnm和2.5mm等。波紋的個數(shù)和曲率半徑是相互限制的。波紋多即要求曲率半徑小，對成型模具的要求過高，且合金3J1彈性大，過小的曲率半徑難以壓制波紋。波紋個數(shù)還應(yīng)保證壓縮后不出現(xiàn)重疊，也不出現(xiàn)開口過大情況，這也對曲率半徑提出了限制。此外，波紋帶開口角度還影響著傾斜力矩的大小。在增加單波漲緊力的同時，不能使合力增加過多，否則，即使很小的相角也會產(chǎn)生很大的傾斜力矩。因此應(yīng)綜合考慮徑向支反力和支反力合力的作用情況，在保證支反力增量的基礎(chǔ)上，使合力增量盡量小。

以上各方面因素的影響，應(yīng)首先滿足成型模具的加工要求，即曲率半徑選取圓整數(shù)值，但不能過小，此處以2.5mm為下限。對于端部部分，以壓縮前不出現(xiàn)重疊且波形個數(shù)為整數(shù)不存在端部余量為限制條件。

2.3 互換密封面材料

現(xiàn)有的閥芯密封面材料為聚四氟乙烯，而殼體材料為1Cr18Ni9Ti，貼合過程中，由于剛度差較大，在壓力作用下，殼體必然嵌入閥芯密封表面限制閥芯的調(diào)整，不能改善接觸壓力的分布不均。如果將密封面材料互換，即閥芯為1Cr18Ni9Ti，而殼體閥口密封端面采用聚四氟乙烯材料。在壓力作用下密封面貼合時，即使存在壓力分布不均，殼體變形大而閥芯仍然保持平面，不限制閥芯的自調(diào)整，因此可以改善壓力分布不均狀況，達到提高密封性能的作用。此外，由于閥芯采用了剛度大的材料，而殼體接觸部分為剛度低材料，塑性變形發(fā)生在殼體接觸部分，但不會破壞接觸平面，也不會出現(xiàn)環(huán)形壓痕，兩接觸面始終保持為平面接觸狀態(tài)。

2.4 提升加工工藝水平

加工工藝是影響密封面密封的另一個因素。對密封平面、閥芯外表面和閥座內(nèi)表面都應(yīng)采用精磨、拋光處理，提高其表面光潔度，降低摩擦和粗糙度的影響，降低因加工表面質(zhì)量和摩擦鎖死造成的泄漏。

此外，配合間隙是限制閥芯自我調(diào)整的因素，大的配合間隙將給閥芯更多的調(diào)整空間。因此，加工時可在保證基本尺寸的基礎(chǔ)上，盡量使閥芯外徑為最小極限尺寸，而閥座內(nèi)徑為最大極限尺寸，使配合間隙增大。

3 結(jié)束語

總之，目前卸荷閥的裝配成品實驗通過率低，一次試裝合格率不足20%。卸荷閥的材料和加工成本高，試驗過程復(fù)雜，條件苛刻并耗資巨大，需求量也日益增加，過低的產(chǎn)品一次試裝合格率不但限制了企業(yè)的經(jīng)濟效益，也制約了產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。因此，關(guān)于卸荷閥密封問題的理論與試驗研究具有重要的實際意義。

［1］洪先志，董宗玉，顧永泉.機械密封端面力變形的解析計算[J].化工設(shè)計，2002，12（2）：37-39.

［2］李鰓.機械密封環(huán)端面變形研究[J].潤滑與密封，2001（5）：44-47.