截止阀的密封特点与结构改进

【摘要】：文章介绍了截止阀密封副的两种典型形式，对截止阀进行了简单分析，提出了截止向密封副的结构改进措施。

【关键词】：截止阀；密封特点；结构改进

【 abstract 】 : the article introduces the globe valve seal of two typical form, to stop valve have been analyzed, and put forward the globe to seal structure improvement measures.

【 key words 】 : stop valve; Seal characteristics; Structure improvement

中图分类号：O611.2文献标识码：A 文章编号：

引言:截止阀用途很广泛，具有合理的密封结构和耐腐蚀性能，因此被用于各种冷却装置。在某冷却系统中，截止阀的工作初期能够实现良好的密封，但是随着开关次数的增多会出现内漏。经过拆解检查发现，阀门阀瓣密封面出现多道划痕，或阀体阀座的圆度超差。止阀不能满足工况系统对密封寿命要求，需要对其密封结构进行分析和改进。

1截止阀密封副的两种典型形式

1.1平面密封

平面密封具有下列特点:

(l)平面的唯一性。通过阀杆加集中力的平面密封,不论阀杆在水平位置还是垂直位置,只要阀杆着力点在密封面外径范围内(即重心在底面积范围内),那么这个密封平面就一定能贴合,即此密封平面是唯一能接触的平面,这是平面密封的主要特点之一。

(2)平面的易加工性。平面密封的密封面可加工性好,能用多种手段来获得密封平面。

(3)理想平面程度难以保证。即使通过精细加工的平面也难以保证其理想平面程度,例如研磨加工时,由于研磨剂进人位置先后不同,研磨平板或研磨板的表面不平度和研磨剂加入量过多等影响,密封面容易出现图l所示的形状。这样,当密封副接触时,不能形成封闭环而引起泄漏。

图1：

(4)平面的抗变形能力强,密封面积大,介质作用力大,所需密封力大,只能采用光整弹性密封,故阀杆直径需较大。并且其表面不平度较难消除,平面度难以保证,所以泄漏可能性较大。

1.2锥面密封

锥面密封有下列特点:

(l)锥面的增大比压作用。由于锥角形成的密封面法向分力较大,故在同样的密封力下,比压较大。为了保证密封面达到所需的比压,施加的轴向力较小,并且介质压力作用直径较小、故总的轴向力比平面密封小。

(2)锥面的自定心作用。使阀瓣在阀杆轴向力(集中力)的作用下易于合座。

(3)密封方式的可变性。锥面密封可以通过研磨或对研来保持其吻合度,从而采用光整弹性密封仁”的方式来保证密封;也可通过提高阀瓣硬度,降低阀座硬度来增大硬度差,从而采用塑性密封或损伤密封的方式来保证密封。

(4)对下列因素具有敏感性:

(a)阀杆在阀瓣上的着力点。由于一般阀座密封面较狭,自定心作用不能得到可靠保证,当阀杆轴向力作用点与阀瓣锥面中心线、阀座锥面中心线不重合时,易使阀瓣歪斜,从而造成密封面上比压不均匀,局部处可能比压达不到需要值,从而引起泄漏。(b)阀杆在阀瓣上的着力点至阀瓣与阀体密封面接触处的距离。(c)阀门的安装位置。如果阀杆在垂直位置且在阀上方,则密封性较易保证,如果阀杆在水平位置,则阀瓣将因自重而歪斜,容易引起泄漏。

2截止阀分析

2.1阀座结构

截止阀采用硬密封结构，线性密封。阀座密封面通常是由阀体直接加工成形，阀瓣密封面或是本体堆焊硬质合金，或是由本体直接加工。截止阀阀瓣和阀杆为分别加工完成，再通过滚压工艺将阀瓣与阀杆连接。采用此种连接方式是为了补偿阀体密封中心与阀瓣密封中心同轴度的误差。但是在实际使用过程中其密封效果差，并且密封面的寿命短。分析证明阀门密封面的密封结构及其配对材质的硬度差为其泄漏的主要原因。

2.2硬度配对

改变密封面配对材质的硬度差，采用几种不同硬度差的阀瓣与阀杆配对，经过试验后发现阀门的密封寿命有稍微延长，但是启闭多次以后阀门仍然内漏，改进效果并不明显。很显然，密封面配对材料的硬度差不是影响阀门线性硬密封的关键原因。

2.3密封结构

截止阀阀瓣在加工完成后和阀杆通过滚压连接在一起成为密封组件。阀瓣加工时需要装卡两次才能加工完成，由于阀瓣的一端为密封面，另一端与阀杆配合，在两次装卡加工过程中，会导致其密封面中心线与配合面中心线不同轴。阀瓣和阀杆为滚压工艺连接，阀门使用过程中，流体介质作用力将改变阀瓣相对于阀杆的位置。因此，阀瓣每一次的动作其密封位置都是不同的，导致其密封面中心线围绕配合面的中心线偏向任意方向。阀门初期工作时可以保持其密封性，而每一次开关后阀瓣就可能会偏离原先的位置，这时就需要加大关闭力矩，阀瓣密封线下移，才能完全密封。随着使用次数的增多，最终所有位置都无法保证阀瓣与阀体阀座的完全配合，直至阀门出现泄漏。

3截止向密封副的结构改进措施

3.1平面密封的结构改进

为了保持平面密封的优点,克服存在的缺点,在压力较低时,可采用阀瓣高硬度宽平面,阀座低硬度狭平面(刀形密封)的结构。在压力较高时,可采用阀瓣高硬度宽平面、阀座低硬度环状圆弧面的结构。这是从承受介质压力作用强度上考虑的。

3.2锥面密封的结构改进

为了保持锥面密封的优点,避免瓣杆在阀瓣上的着力点偏移,图3H值的改变以及阀门安装位置不同等因素对密封性能的影响,可以采用将阀杆对阀瓣作用力的着力点降低到阀瓣密封面与阀座密封面接触线以下的结构。对于口径较大的锥面密封截止阀,可在阀瓣端部加制凸台而直接降低阀杆着力点。

3.3新型球面密封截止阁

为了综合平面密封和锥面密封的优点,可以将两者统一起来,设计一种新型的球面密封截止阀。这种密封结构国外已有专利报道,是一种很有发展前途的新型式。这种结构具有下列特性:

(l)理想球面上的任一截面都是一个正圆,如果这样的球面与一个圆孔接触,则将形成一个完整的正圆形接触环,因此它们与平面密封一样,具有唯一性。

(2)球面也是容易加工的,而且研磨时不会出现图1所示的形状偏差,因此克服了平面密封的理想平面程度难以保证的缺点。(3)阀座密封面无论是球面、锥面、圆孔,其密封面宽度均较平面密封小,故密封面积小,介质作用力也小,所需密封力小。

(4)即使是采用光整弹性密封 (例如经对研),阀座的抗变形能力也较差,所以克服了平面密封时抗变形能力强、表面不平度较难消除、平面度难以保证的缺点。

(5)阀瓣球面无论与阀座的球面,锥面或圆孔接触都同锥面密封一样具有增大比压和自定心作用,而且其密封方式也可改变。

(6)由于球面上任一点的作用力必定通过其中心,即使此作用力中心线与阀座密封面中心线不重合,也将能使球体与阀座正确合座,并自动均匀其比压。

3.4采用弹性支架克服潜在的内泄漏

截止阀还存在一个潜在的内泄漏因素,即在介质温度较高时,要考虑温度对泄漏的影响。具体分析如下:当阀开启时,阀杆外露部分增加,因其散热条件好,其温度将降低,阀杆将产生微量收缩。当阀关闭时,阀杆伸人中腔部分增加,在关闭过程中此段被介质加热而伸长;进入填料函的原外露部分阀杆段也被加热伸长。而后,中腔介质流走,阀上部和填料函逐渐降温,阀杆温度又逐渐降低而产生冷收缩。如果上述的伸长量与收缩量之差大于阀支架的冷收缩量,则阀杆作用力减小,密封力QMF减小。如果剩余比压小于最小必须比压如qMF,则可能产生泄漏。另一方面,密封件无论在开启或关闭状态下都受介质温度作用。在关闭时,密封件受到阀杆作用力,产生微量收缩。当阀杆冷收缩时,密封件将回弹。如果阀杆收缩量大,密封件回弹量小,则密封面间将出现微间隙,也将产生泄漏。

为了解决这个潜在的泄漏问题,可以采用弹性支架结构,即阀关闭时阀杆轴向力使支架伸长,支架的收缩力及收缩量使阀杆在冷收缩后仍保持一个力作用于密封面,从而保证有足够的比压保持密封。支架的基本形状如图2。图中角a约等于30。弹性支架的另一个作用就是在无介质作用时关闭阀门后,当介质作用于阀下腔后阀杆将产生热伸长,这个热伸长由弹性支架来吸收以免阀杆弯曲。

图2

参考文献：

【1】杨源泉．阀门设计手册M．北京:机械工业出版社，1992．

【2】JB/T8859－2004，截止阀静压寿命试验规程S．

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。