于龍杰 錢錦遠 金志江

(浙江大學化工機械研究所 浙江杭州 310027)

閥門作為過程流體系統(tǒng)的重要部件，具有調節(jié)、導流、穩(wěn)壓、泄壓等功能，廣泛應用于各個領域，小到生物醫(yī)學、精密儀器等領域使用的各樣微型閥門，大到電力、石化、冶金、化工等領域使用的各種大型工業(yè)閥門。閥門輸送的介質同樣多種多樣，有氣體、蒸汽、液化氣體、臨界液體等，甚至某些介質具有易燃、易爆、有毒、腐蝕性等危險特性。但作為過程流體系統(tǒng)主要的泄漏源之一，世界上有1/3的閥門失效來源于密封失效，閥門密封失效造成事故損失尤為嚴重，因此，作為實現阻斷，防止外漏、內漏的重要部件，閥門密封的可靠性問題受到廣泛關注[1]。

閥門密封性能是指閥門各密封部位阻止介質泄漏的能力，是閥門重要的性能指標。其研究內容主要涉及密封結構的密封原理、密封表面形貌與泄漏率之間的關系、密封面比壓計算、密封接觸表面缺陷、內部工作介質影響(汽化、汽蝕、腐蝕、過流介質沖刷、侵蝕、污損等)以及密封材料等方面。因此，可知決定密封性能的因素很多，密封失效通常是在多種因素的影響下發(fā)生的，需充分考慮各種影響密封性能的因素。隨著工業(yè)設備逐漸向高溫、高壓、大流量等高參數方向發(fā)展，過程流體系統(tǒng)對閥門密封性能提出了更高的要求，閥門密封性能的研究也逐漸成為閥門研究領域的重要研究方向。為此，本文作者在綜述國內外閥門密封性能研究的基礎上，總結了接觸方面、運行損傷方面等因素對閥門密封性能影響，以及閥門密封性能研究亟待解決的科學問題和未來發(fā)展的方向。

1 閥門密封結構原理

閥門密封的原理是借助流體壓力、彈性元件作用力和預壓縮產生的密封力使密封副相互接觸、嵌入，減小密封面之間的間隙，同時借助液體在間隙間的表面張力等，將閥門泄漏量降低到規(guī)定值。

大型工業(yè)閥門主要密封部位為閥門啟閉件處、中法蘭與閥蓋處以及填料函與閥桿處，按不同運動狀態(tài)，密封結構可分為靜密封和動密封，其中，填料函與閥桿處為閥門動密封結構，要注意介質不能隨閥桿的運動而泄漏。按材料的不同，密封結構可分為硬密封和軟密封，硬密封是金屬和金屬之間的密封，故也稱金屬密封面，相對于軟密封，閥門硬密封雖然其造價更昂貴，但密封性能更好，使用壽命更長。閥門密封結構與材料需依據工作介質、溫度、壓力以及閥門力矩大小等因素進行合理選擇。

2 閥門密封接觸特性研究

2.1 密封比壓計算及研究

密封比壓為密封面上單位面積承受的壓力，是衡量密封面密封性能的重要指標。密封比壓過大會造成密封面損傷，過小會造成介質泄漏，因此，在閥門密封設計時需要做出規(guī)定。工程上一般通過密封比壓的經驗公式計算密封比壓平均值，但是，隨著數值計算的發(fā)展，許多研究者利用有限元方法進行閥門密封面的接觸研究(見表1)，計算閥門的密封比壓大小及其分布規(guī)律，相比于傳統(tǒng)經驗公式計算可獲得更加準確的結果。當然，對于不同閥門需要考慮不同的加載條件，進行合理設置。

表1 球閥密封比壓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

對于密封比壓的研究不僅停留在準確計算上，更多研究者希望尋找密封比壓及其影響因素之間的規(guī)律，進而用于指導密封結構的設計。閥門內外介質的壓力作為影響密封比壓的重要因素，需合理地將其考慮到密封的設計當中，如深水球閥隨著深度變化，海水靜壓力的外載荷會改變，進而影響閥門密封比壓與性能[7-9]。此外，浮動球閥、 蝶閥等閥門內介質載荷變化也會對密封比壓產生影響[10]。

密封副的結構參數對密封比壓也具有重要影響，密封比壓的大小與金屬密封面彈性模量、密封層厚度以及密封面寬度等參數相關。許多學者針對多種結構參數對密封比壓的影響進行了研究。唐洋等人[11]對深水測試防噴閥密封槽位置等參數開展研究，獲得密封槽位置、密封面寬度、摩擦因數與密封比壓分布和應力分布規(guī)律。何東升等[12]、YANG等[13]對智能井流入控制閥密封最大過盈量、密封圈接觸面錐度等參數進行研究，通過計算徑向金屬密封接觸應力，發(fā)現增大過盈量和錐度有利于提高密封性能。

雖然目前已有大量關于密封比壓計算的研究，但仍存在以下問題：目前的研究基本是圍繞球閥結構密封比壓計算，研究手段單一，主要是通過對閥門密封接觸結構進行有限元數值計算；此外，針對介質參數、結構參數對密封比壓的影響研究較少。未來還應針對其他類型的閥門開展相關應用研究與影響研究，進而指導閥門密封的設計。

2.2 閥門密封接觸模型

密封副間存在間隙且兩側存在壓差是導致密封泄漏的根本原因。因此，為有效地預測密封結構的實際密封性能，分析接觸界面間微觀結構與流體滲流規(guī)律之間的關系也是研究閥門密封性能的重要內容。接觸模型主要用于分析接觸應力、接觸面積與表面形貌間的關系。進行密封面粗糙表面的構造、接觸研究是構建粗糙表面泄漏模型的基礎，其方法主要有統(tǒng)計學方法[14]、分形方法[15]、有限元方法[16]。接觸變形過程還要考慮純彈性、彈塑性和全塑性變形情況，其中微凸體的彈塑性變形機制最為復雜[17]。

對于統(tǒng)計學方法構建粗糙表面，粗糙度、紋理作為最明顯的表面特征，對密封的性能有著最直接的影響，對表面粗糙度等統(tǒng)計學參數進行準確測量，也是真實準確還原粗糙表面形貌的重要途徑[18]。YANG等[19]、任曉等人[20]、呂祥奎等[21]基于高斯分布函數和指數自相關函數的統(tǒng)計學方法建立2個粗糙面密封間隙的三維幾何模型(如圖1所示)，進而通過數值方法分析材料力學特性、粗糙度參數、密封比壓與氣體密封性能之間的關系。

圖1 生成各向同性粗糙表面三維輪廓圖[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

傳統(tǒng)統(tǒng)計學模型對于描述不同尺度的高度標準差、取樣長度、曲率標準差等都存在局限性，運用分形理論可較好地解決上述問題，得到密封接觸表面泄漏通道的分形表征。當然，分形表征也需要滿足一定條件，選擇適合的表征方法，具體流程如圖2所示。目前，已經發(fā)展了基于分形理論的Persson彈性接觸力學模型[22]等較為成熟的模型，并在實際應用中取得較好的效果。

圖2 分形模型的表征及重構流程Fig 2 Characterization and reconstruction process of fractal model

通過有限元模擬研究加載以及卸載條件下接觸表面的變形也是構建密封間隙的有效方法。如FANG等[23]通過對單個粗糙峰機械接觸變形的有限元分析，得到有效分離高度表征界面泄漏通道的特征尺度。KE等[24]采用有限元研究織物橡膠密封件與金屬壓板接觸界面變形以及在不同的載荷位移和不同的接觸應力下接觸問題。

圖3 粗糙表面和剛性平面之間的密封接觸界面以及泄漏橫截面示意[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]

粗糙表面的接觸模型在近年來得到較大發(fā)展，但仍存在以下挑戰(zhàn)：各種模型都是基于一定的假設基礎，與真實接觸情況仍存在誤差；接觸過程中的變形狀態(tài)也使接觸的真實情況變得復雜,模型難以描述。

2.3 閥門密封泄漏預測模型

閥門密封泄漏預測模型是建立微觀形貌與宏觀泄漏率之間的理論關系式。密封間隙的泄漏流動屬于微納尺度流體流動，密封間隙視為層流流動，可采用基于連續(xù)流的N-S方程推導。偶國富等[28]根據N-S方程推導出流體介質在煤氣化系統(tǒng)中鎖渣閥的主密封結構球面縫隙中的流動模型，如圖4所示。而對于間隙尺寸更小的情況，不滿足連續(xù)性假設，需要基于粒子碰撞模型對泄漏進行模擬，張健[29]采用LBM-TRT方法建立金屬密封粗糙面中微流動泄漏計算模型，通過實驗對比滿足一定精度。

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

除采用上述方法進行閥門泄漏率預測外,也有研究者將閥門密封的2個接觸面形成的區(qū)域視為具有微孔隙的多孔介質模型，通過分形模型建立了密封載荷與微孔結構之間的關系，將滲流力學引入泄漏機制研究[30-31]，以函數關系的形式建立泄漏通道與泄漏量之間的關系式，描述界面微孔結構對流體滲流的影響，給出了孔隙數、孔隙度、分形維數和流體滲透率隨液體壓力的變化規(guī)律[32-33]，并進行橡膠密封件泄漏率預測與實驗驗證，取得較好的精度[34-35]。

目前，閥門密封泄漏預測模型研究的主要問題是精度還不夠，尤其是基于N-S方程推導的泄漏模型存在較大誤差?，F階段，通過泄漏預測模型主要是定性分析某些參數的影響，更精準的密封泄漏預測需要結合粗糙表面的接觸理論與滲透力學?？傮w來說這方面研究工作還有很長的路要走。

2.4 閥門密封熱固耦合研究

溫度的急劇變化，會在不同程度上降低閥門的密封性能。其根本原因是在高、低溫閥門中，溫度變化會導致密封部件產生熱變形。熱變形受到某些約束時，如位移約束或者相反的壓力作用，就會在結構中產生熱應力，溫度梯度越大的區(qū)域產生的熱應力會顯著改變密封端面比壓，對密封性能產生很大的影響。

因此，有必要對高、低溫閥門進行溫度場分析，研究其最大應力及變形出現的位置并確定熱應力和變形的分布范圍，以保證密封部件不發(fā)生能引起泄漏的嚴重變形。對此，許多學者采用熱固耦合的方法對閥門密封進行研究，研究高溫、高壓、升溫速率等對密封性能的影響，如表2所示。

表2 閥門密封熱固數值耦合研究典型案例Table 2 Typical case study of thermo solid coupling about valve sealing

盡管采用數值模擬方法對高、低溫閥門密封性能進行研究具有效率高、成本低等優(yōu)勢，但通過實驗研究往往能反映密封材料在高、低溫下真實特性。張希恒和周璟瑩[41]結合超低溫閥門使用條件，實驗測試了6個溫度下的PCTFE力學性能，發(fā)現其可以用作低溫閥門密封材料使用。張寧等人[42-43]對比分析了采用不同軟密封材料的低溫閥在常/低溫、低/中壓工況下的密封性能以及應用特點，發(fā)現在低溫工況下，采用PEEK軟密封材料的低溫閥閥座具有相對較高的密封性能和穩(wěn)定性。

總體來說，實驗研究是最直觀可靠地檢驗高、低溫閥門密封性能的研究手段，但若還原實際工況條件，實驗成本高昂，因此，類似于上述的簡化實驗應在未來的研究中應引起關注。同時，由于熱固耦合數值模擬研究具有成本低的優(yōu)勢，其在未來的高、低溫閥門密封性能研究中會起到主流作用。

3 閥門密封損傷研究

3.1 密封汽蝕損傷研究

閥門汽蝕發(fā)生在壓差較大的工況中，工作介質流過閥芯與閥底的節(jié)流面處流速增大，壓力迅速降低形成氣泡，介質里的氣泡由于壓力恢復產生爆裂，從而造成局部液壓沖擊，導致密封表面的腐蝕和點蝕。為此，劉麗莉[44]研究了高壓差工況下閥門抗汽蝕沖刷的能力以及介質通過閥門的流動狀態(tài)。此外，閥門的結構形式也會對密封面的損傷造成影響，對于流開型閥門，汽蝕和沖蝕主要作用在密封面上，對閥芯與閥座的密封面造成破壞；對于流閉型閥門，汽蝕發(fā)生在節(jié)流之后，對閥門密封面的性能影響較小。

優(yōu)化閥門內部參數也是抑制或避免汽蝕對密封面損傷的重要方式，特別對于閥芯的優(yōu)化。例如，HE等[45]對錐形節(jié)流閥閥芯影響汽蝕開展研究，發(fā)現減小閥芯錐角有利于節(jié)流閥的抗汽蝕和抗沖蝕，如圖5所示。XU等[46]對水壓安全閥的閥芯設計和閥座非光滑溝槽結構進行了參數化優(yōu)化。

圖5 節(jié)流閥在不同出口壓力下的空化現象[45]Fig 5 Cavitation phenomena of throttle valve under different outlet pressures [45](a) numerical results；(b) experimental results

當下對汽蝕的影響研究主要關注點在閥芯部件，單單對密封汽蝕損傷的研究較少，未來應加強該方面的研究。此外，未來減少汽蝕對閥門密封面影響的研究工作應在于發(fā)展汽蝕判別方法，選擇適合的技術方案設計，避免汽蝕發(fā)生，以及通過優(yōu)化分析減小汽蝕對密封面的影響。

3.2 密封沖蝕損傷研究

在混合介質傳輸過程中，顆粒沖刷會對閥門密封產生強烈的沖蝕效應，進而導致密封失效，LIU等[47]通過數值模擬分析了蝶閥氣蝕與顆粒沖蝕，結果表明，蝶閥的沖蝕主要發(fā)生在閥瓣的前后部，包含閥門密封面。此外，高溫高壓汽包連排閥閥座密封面容易出現許多被介質沖刷的深溝[48]，如圖6所示。因此，對于輸送含顆粒閥門有必要分析其流場特性和沖蝕特性。

圖6 蝶閥沖蝕損傷圖(a)[47]與閥座密封面(b)[48]Fig 6 Erosion damage diagram of butterfly valve(a)[47] and valve seat sealing surface(b)[48]

有研究工作者對閥門的閥芯和閥體尺寸等參數進行了優(yōu)化研究，選擇最佳的腔室尺寸來改變顆粒沖擊，來達到減少沖蝕的目的。WANG等[49]基于侵蝕模型和響應面方法，采用多目標遺傳算法對閥蓋長度、閥蓋外半徑、閥室內徑等參數進行了優(yōu)化設計。

介質速度、顆粒粒徑、顆粒含量以及閥門開度等介質參數對沖蝕的影響也較大，ZHENG等[50]發(fā)現高速流動和顆粒侵蝕會導致軸流調節(jié)閥內漏和流量抑制，并且隨著閥門開度的增大，嚴重腐蝕區(qū)域將從擠壓邊緣向擠壓件中心移動。ZHANG等[51]對箭型止回閥液固兩相流沖蝕進行了研究，發(fā)現與進口速度相比，顆粒流量和顆粒直徑對沖蝕的影響較小。ZHANG等[52]通過實驗研究氣體顆粒兩相流動，改變閥開度、顆粒直徑和顆粒質量流量，研究了顆粒氣體在閥內的流動及其沖蝕特性。ASKARI和JOZAEI[53]采用數值模擬研究不同工況下工業(yè)球閥開度和顆粒濃度對減壓站球閥沖蝕損傷影響。

目前，對沖蝕的影響研究主要集中在閥門內部件的損傷，對于閥門密封的失效影響關注不夠。

3.3 密封沖擊磨損研究

在閥門的快速啟閉過程中，密封面會受到過快的沖擊損傷，如三偏心蝶閥常常執(zhí)行快速啟閉功能，不成功的三偏心蝶閥設計通常會導致閥瓣與閥體發(fā)生干涉，使密封接口處發(fā)生沖擊損傷，從而影響閥門的密封性能。KAN等[54]導出了三偏心蝶閥中密封副干涉的計算公式，描述了軸向偏移、徑向偏移和偏心角3個設計參數對密封性能的影響。

此外，密封界面長期相對摩擦運動造成的摩擦磨損也是對閥門密封性能的極大考驗。密封磨損量受許多因素影響，包括磨損副的硬度相互匹配，材料的耐磨性，密封副的加工工藝等，PROKOPOVICH等[55]發(fā)現球形密封的形狀會對磨損率產生影響，合理設計密封面形狀可以獲得接觸壓力高磨損率低的閥門密封。FORSBERG等[56]模擬試驗臺閥門密封界面滑動行為，研究接觸角、接觸長度、閥頭厚度、摩擦因數等不同參數對滑動摩擦的影響。BELFORTE等[57]提出了應用于商用氣動滑閥密封件的設計，開發(fā)一種能夠在干燥狀態(tài)下工作緊湊的低摩擦密封。浙江大學特種控制閥研究團隊，提出一種減磨損的閥門密封結構及其方法[58]，提高密封性的同時能減小動作下摩擦磨損的影響。

閥門密封的沖擊與磨損是閥門長期運行下通常的密封失效形式。對于密封的沖擊損傷研究，當下主要針對是蝶閥，未來應針對其他類型的快開閥門開展相關研究。而對于密封磨損研究，未來發(fā)展方向應借鑒摩擦學相關理論，通過改變摩擦界面的潤滑狀態(tài)與發(fā)展耐磨損的動密封材料等措施減少磨損。

3.4 密封材料工藝研究

除結構設計外，密封材料也是密封性能研究的重要方面。不銹鋼波紋管密封閥是輸送腐蝕性介質的一種典型結構，對密封面進行防腐蝕保護的波紋管的防腐蝕能力決定閥門的使用壽命。MUSTARI和TAKAHASHI[59]對波紋管密封閥的波紋管在350～500 ℃下進行了約1 500 h的低周疲勞的腐蝕斷裂行為觀察，如圖7所示。

圖7 不銹鋼波紋管(a)及其密封閥示意(b)、波紋管腐蝕圖(c)[59]Fig 7 Schematic of bellow(a),bellow-sealed valve(b)， corrosion diagram of bellow(c)[59]

在石油化工和核工業(yè)閥門應用領域，為提高防腐蝕性能，涂層防護是密封面防腐的重要形式，如316L型奧氏體不銹鋼密封面必須采用鎢鉻鈷合金等離子熔覆層進行防腐蝕保護，提高密封的使用壽命。密封面的修復材料也是提高防腐蝕性能的研究切入點，如研究電火花沉積鎢鉻鈷合金涂層進行密封面熔覆涂層的修復[60]。此外，為了避免鈷基合金的活化輻射，也有研究工作者進行核閥密封面激光熔覆無鈷鐵基合金粉末的替代研究[61]。

對于密封材料及涂層的研究不僅體現在提升密封面的抗腐蝕性能，也有研究者在尋找綜合性能更優(yōu)的密封材料。SHI等[62]研制了一種無鈷鎳基合金(Ni-SD)，其顯微硬度不僅高于目前核動力閥門用鈷基合金的硬度，還具有高耐磨性和耐高溫等優(yōu)點。DING等[63]進行控制閥閥座密封面激光熔覆鎢鉻鈷合金混合堆焊，其比鎢鉻鈷合金6堆焊具有更高的性能。MNIF等[64]在PTFE基體中加入顆粒填料可以穩(wěn)定PTFE復合材料表面的轉移膜，從而降低了PTFE復合材料的磨損。

綜上可知，針對閥門密封損傷的各個方面，眾多研究人員都在對材料開展相關研究，主要通過對材料的改進以及尋找新的替代材料，獲得更優(yōu)的密封性能。

4 結論與展望

總結了當前國內外對各類閥門密封性能的相關研究，如閥門密封接觸特性相關研究，包括比壓計算、接觸泄漏模型以及熱固耦合分析；閥門長期運行下的汽蝕、沖蝕等損傷研究；結構的合理設計以及閥門材料及工藝的研究等，得出以下結論與展望：

(1)完善閥門密封接觸理論與泄漏預測理論：在閥門密封接觸特性的研究方面，對于密封通道接觸以及密封泄漏預測理論的研究還處于初始階段，當下面臨準確性不足以及數值計算資源消耗比較大等問題，對于實際的工程應用還存在較大差距。但隨著這方面研究的發(fā)展，相信會對提升閥門密封性能產生重要意義。

(2)強化高參數工況下閥門密封的熱固耦合計算：由于目前高端閥門向高溫高壓、大流量、大減壓比等嚴苛工況發(fā)展，顯著地提高了對閥門密封性能的要求。鑒于時間及經濟成本的限制，預計密封的熱固耦合協(xié)同計算是今后的重要發(fā)展方向。

(3)基于多種方法開展密封損傷因素的耦合研究：閥門密封損傷主要的形式有汽蝕、沖蝕、磨損、腐蝕、沖擊等。因此，影響閥門密封性能的因素很多，且各種因素相互影響，相互促進，例如，密封的沖蝕損傷會加劇腐蝕磨損等損傷。未來應基于多種方法開展耦合研究，綜合準確地評價閥門密封的損傷，通過優(yōu)化結構參數、介質參數等減少閥門密封損傷的影響。

(4)推動高性能密封材料的研究：隨著高端閥門的應用工況越來越嚴苛，提升閥門密封性能不能僅局限在結構優(yōu)化，還應加強高性能密封材料的研究。推動高性能密封材料的研究也是未來提高密封性能重要途徑之一。