王鑫，張曉東，李志明，侯明軍

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

雙層閥蓋密封副彈塑性密封研究

王鑫，張曉東，李志明，侯明軍

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

文章簡述了現(xiàn)代高參數(shù)汽輪機閥門雙層閥蓋的結(jié)構(gòu)形式，以M-B粗糙表面接觸模型為基礎(chǔ)，采用雙線性等向強化模型，研究了考慮表面形貌的金屬彈塑性密封條件下，雙層閥蓋密封副達到完全密封時所需的最小密封應(yīng)力，為此類密封結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

汽輪機，閥門，密封

Abstract：The structure of double valve cover of modern high parameter steam turbine was described briefly.Based on the model of M-B rough surface contact,a bilinear isotropic hardening model is adopted.The minimum sealing contact stress of sealing surface was provided under the condition of the suface morphology's metal elastic-plastic seal,which provides a reference for the design of the sealing structure.

Key words：steam turbine,valve,sealing

0 引言

現(xiàn)代大功率汽輪機主蒸汽進汽壓力溫度逐步提高并達到超臨界和超超臨界蒸汽參數(shù)水平，對汽輪機主汽閥密封設(shè)計水平與設(shè)計思路提出了新的挑戰(zhàn)。國內(nèi)第一個二次再熱機組安源項目主蒸汽參數(shù)就達到了31 MPa。現(xiàn)役汽輪機主汽閥閥蓋通常采用強制密封形式，依靠高強度螺栓壓緊密封圈達到預(yù)緊并保證密封。高強度螺栓結(jié)構(gòu)簡單、但螺栓直徑過大，加之國內(nèi)螺栓設(shè)計偏于保守[1]，使得密封部件粗大厚重，閥蓋螺栓選材困難。雙層閥蓋（見圖1）基于伍德式自密封原理，依靠蒸汽工作壓力產(chǎn)生的密封力達到密封效果，蒸汽載荷由閥殼與內(nèi)置止動圈承擔，既能保證密封效果又減少了閥蓋螺栓直徑。

雙層閥蓋密封設(shè)計的關(guān)鍵在于密封圈的接觸部位的應(yīng)力控制。高參數(shù)汽輪機的主汽閥蒸汽壓力達31 MPa甚至更高，密封圈設(shè)計時接觸應(yīng)力過低會使得密封不嚴，蒸汽泄漏，過高則會降低密封圈使用壽命、增加檢修維護難度，甚至產(chǎn)生安全隱患。對于金屬密封面密封與流體泄漏問題，實際上是金屬密封副表面微觀接觸狀態(tài)的問題，因為實際金屬密封副接觸表面并非理想接觸平面，金屬密封副表面微觀形貌的凹凸不平使得真實接觸面積小于名義接觸面積，蒸汽從接觸面間隙中仍有泄漏，不少學者對此進行了深入研究。袁紅兵[2]采用分形理論研究了彈性密封面上流體泄漏量同表面形貌間的關(guān)系，研究基于Majumdar和Bhushan提出的粗糙表面的M-B接觸模型[3]，忽略表面粗糙成分而用表面波紋度表征密封副密封間隙。田紅亮[4]基于粗糙度表面峰高的概論密度為指數(shù)分布的假設(shè)，研究了密封副彈塑性接觸的靜密封流量，理論上確定了密封力、密封表面形貌與密封泄漏量的關(guān)系。對于工程設(shè)計，如何在保證蒸汽泄漏最小的條件下根據(jù)加工精度、工況條件進行密封件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是本文研究的重點。

1 雙層閥蓋結(jié)構(gòu)與密封原理

雙層閥蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示：密封部件包括閥蓋、止動圈壓緊環(huán)、密封圈、鎖緊套筒。該密封結(jié)構(gòu)基于伍德式密封原理，自緊式主動密封，其密封副為密封圈側(cè)邊面接觸面及浮動鎖緊套筒的凸形接觸面。鎖緊套筒密封面為錐面，工作時蒸汽壓力通過鎖緊套筒頂蓋傳遞到密封圈上，產(chǎn)生徑向與軸向的密封緊力，密封力隨壓力大小的變化而改變，在溫度、壓力有波動時密封性能良好。閥殼上的止動凹槽承擔絕大部分蒸汽壓力載荷，外閥蓋僅承受微小壓力，外閥蓋尺寸大大減小從而避免了大直徑螺栓設(shè)計和螺栓選材問題。

圖1 雙層閥蓋密封結(jié)構(gòu)

2 表面形貌與密封泄漏

2.1 表面形貌描述

在國標GB/131-2006《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）技術(shù)產(chǎn)品文件中表面結(jié)構(gòu)的表示法》明確了零件表面質(zhì)量的影響因素，如圖2所示用表面粗糙度（a）、 表面波紋度（b）以及表面幾何形狀誤差（c）描述零件的表面質(zhì)量。 圖 2（a）、（b）、（c）是由于零件表面在機械加工過程中，機床與工具系統(tǒng)的振動、熱變形、加工系統(tǒng)誤差等因素而形成，無法完全消除。其中表面波紋度、形狀誤差是直接影響密封副密封效果的關(guān)鍵因素。

圖2 表面形貌描述

2.2 密封泄漏

由于密封副表面并非絕對理想平面，而是由凹凸不平的表面形貌組成，介質(zhì)在密封壓差下經(jīng)由凹凸不平的表面微觀溝槽泄漏，構(gòu)成了密封副的泄漏通道。在制造能力與成本許可的條件下，密封副應(yīng)盡可能接近零泄漏，即密封副能夠阻止介質(zhì)分子泄漏。對于汽輪機閥門而言，目前機械表面加工精度為微米級，而水分子為納米級，水蒸汽能順利從微觀通道泄漏。因密封表面波紋度與形狀誤差客觀存在，彈性密封條件下不可避免存在泄漏，而密封副局部塑性變形可使密封表面凹凸部位得到填充，阻斷泄漏，所以必須依靠密封元件表面的塑性變形填平密封副間的溝槽，達到理想密封效果。

3 彈塑性密封副模型

3.1 密封副泄漏通道描述

依據(jù)Majumdar和Bhushan提出的粗糙表面M-B接觸模型[3]，忽略表面粗糙成分等微觀細節(jié)而用表面波紋度表征密封副密封間隙，用波長為L，波幅為Wz的余弦波谷描述泄漏通道，如圖3所示。

圖3 密封副表面泄漏通道

3.2 力學模型簡化

因塑性變形區(qū)域很小，工作應(yīng)力改變比例不大，忽略塑性變形引起的各向異性的影響，采用雙線性等向強化模型能較好反應(yīng)金屬的塑性變形情況。

為描述密封泄漏通道的泄漏量與密封應(yīng)力的關(guān)系，基于M-B接觸模型假設(shè)，建立了密封副接觸表面微觀形貌的有限元力學模型（見圖4），采用雙線性等向強化彈塑性力學模型，模擬接觸副受壓發(fā)生塑性變形過程，以研究密封應(yīng)力、波長、波幅、材料屈服強度與密封性能的關(guān)系。因表面波紋度的波峰與波谷相對位置隨機錯位分布，當波峰與波峰接觸，所構(gòu)成的泄漏通道面積最大，密封所需的比壓也越大，因此本文以波峰與波峰接觸的極限條件來考察密封副完全密封所需的最小比壓。

（1）材料及性能

計算所用材料性能數(shù)據(jù)見表1。

表1 密封副材料性能

（2）有限元模型

密封微元模型見圖4。

圖4 密封微元模型

3.3 密封比壓與密封程度

當兩個接觸副表面受到載荷作用而發(fā)生接觸時最先接觸的是兩個波峰部位，接觸部位開始是彈性變形（見圖5（a）），隨著密封副接觸面接觸壓力增加，密封波峰應(yīng)力首先超過屈服極限，波峰局部發(fā)生塑性變形 （見圖6），并向兩側(cè)塑性流動，填補泄漏通道，密封性能增強（見圖5（b））。當密封副下層區(qū)域平均應(yīng)力達到一定值時，金屬塑性流動填充整個密封通道，實現(xiàn)完全密封 （見圖5（c））。

圖5 密封副接觸微元接觸變形過程與密封程度

圖6 波峰部位局部塑性變形

3.4 密封性能與表面波紋度的關(guān)系

表面波紋度由波長與波幅表征，依據(jù)現(xiàn)有機械加工水平，波紋度平均波幅Wz的允許值按公比排列如下：0．04 μm，0．063 μm，0．10 μm，0．16 μm，0．25 μm， 0．40 μm， 0．63 μm， 1．0 μm， 1．6 μm，2．5 μm， 4．0 μm， 6．3 μm， 10 μm， 16 μm，學術(shù)界界定波紋度時的波長波幅比為50～1 000。

由表2看出，在波幅一定，波長波幅比越小時，即密封表面越不平，達到絕對密封所需的密封力越大，且均超過材料的屈服極限。

表2 波幅10 μm時塑性密封情況

圖7給出了相同材料不同波幅，不同波長時達到完全密封所需的無量綱密封力，可以看出，相同密封材料密封副達到完全密封所需的無量綱密封力僅與波長波幅比有關(guān)。相同波長波幅比條件下達到完全密封的無量綱密封力相同，其密封應(yīng)力與材料屈服強度成固定比例關(guān)系。

圖7 波長波幅比-密封應(yīng)力

圖8中給出了相同表面波紋度，不同材料屈服條件下密封副的密封情況，可以看出，相同波高波幅比時達到完全密封的無量綱密封力相同。其密封應(yīng)力與材料屈服強度成固定的比例關(guān)系。所有彈塑性密封副達到完全密封時，波峰波谷基底應(yīng)力均超過材料屈服極限，依據(jù)波長波高比不同而有差異。

圖8 密封應(yīng)力與材料屈服強度關(guān)系

4 雙層閥蓋密封副設(shè)計

根據(jù)前面對金屬彈塑性密封的研究，金屬彈塑性密封接觸副有兩大特點：接觸副表面局部塑性變形，基底材料超過材料屈服。在雙層閥蓋密封設(shè)計時，其密封環(huán)接觸表面應(yīng)力需超過材料屈服，而為保證密封件安全與壽命要求，密封環(huán)本體應(yīng)力需滿足強度要求。因此，在結(jié)構(gòu)上，此類彈塑性密封構(gòu)件在承力區(qū)需采用變應(yīng)力設(shè)計，即接觸密封副表層區(qū)域達到屈服以上，根據(jù)目前加工水平與制造經(jīng)濟性，將接觸副表層應(yīng)力控制在材料屈服強度的1．3～1．4倍可保證接觸副密封嚴密。而密封環(huán)其他部位應(yīng)力應(yīng)逐步降低，可在密封環(huán)密封面上采用多組梯形密封齒實現(xiàn)，見圖9。

圖9 密封副梯形密封齒

從材料選擇上，如果可經(jīng)常更換密封環(huán)、按易損件設(shè)計，其材料選擇僅需考慮材料強度、硬度、抗氧化性能。如果密封環(huán)按非易損件設(shè)計，密封環(huán)在材料選擇與環(huán)體應(yīng)力控制上則需謹慎考慮。首先，應(yīng)選擇塑性較好的金屬材料，其顯著特點是材料塑性好，作為高壓密封部件材料，密封部位容易塑性變形，使密封部位緊密接觸。其次，材料長時持久強度高于其屈服強度，保證密封副基底不會因工作時間過長而破壞；接觸副下的基底部位高應(yīng)力區(qū)應(yīng)合理設(shè)計在持久強度以下，保證密封部件的長時安全性。密封環(huán)密封應(yīng)力設(shè)計安全應(yīng)力設(shè)計區(qū)域如圖10所示。

圖10 密封副接觸應(yīng)力設(shè)計域

5 工程應(yīng)用情況

此前此類型采用雙層閥蓋的自密封閥門已先后應(yīng)用于東方 25 MPa、 26．25 MPa、 28 MPa不同參數(shù)不同功率等級機組，如浙江六橫、神華萬州等工程，運行表明密封效果良好，應(yīng)力較小，大修檢查情況理想。

東方二次再熱機組主蒸汽壓力達到31 MPa，首個項目采用本設(shè)計結(jié)構(gòu)和方法，機組于2015年實現(xiàn)雙投，保證了機組主閥安全可靠性。

6 結(jié)束語

本文以M-B粗糙表面接觸模型為基礎(chǔ)，采用雙向性等向強化模型，研究了考慮密封副接觸表面形貌的金屬密封條件下，密封副達到完全密封時所需的最小密封應(yīng)力，結(jié)果表明金屬完全彈塑性密封所需的無量綱密封力僅與表面波紋度的波長波高比有關(guān)，且與材料屈服強度成固定的比例關(guān)系。并將研究結(jié)果用于雙層閥蓋密封副設(shè)計，指出雙層閥蓋密封副彈塑性密封的設(shè)計要素與特點，為高參數(shù)閥門雙層閥蓋密封設(shè)計提供了理論參考。

[1]金永明,王爭艷.汽輪機高強度螺栓設(shè)計方法探討[J].熱力透平,2004,33(2):96-100,120.

[2]袁紅兵,張宏,廉自生,等.液壓閥微觀密封機理的分析研究[J].煤炭學報,2008,33(6):694-698.

[3]Majumdar A,Bhushan B．Fractal model of elastic-plastic contact between rough surfaces[J]．Journal of Tribology,1991,113(1)：1-11.

[4]田紅亮.兩彈塑性接觸粗糙表面的靜密封流量[J].機械設(shè)計與制造,2010,(2):57-58.

Study on Elastic-plastic Sealing of Double Valve Cover Seal Pairs

Wang Xin， Zhang Xiaodong， Li Zhiming， Hou Mingjun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK262

A

1674-9987（2017）03-0028-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.007

王鑫 （1984-），男，碩士，畢業(yè)于西安交通大學，現(xiàn)主要從事汽輪機總體設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究工作。