卸荷阀密封的评价标准与提高其密封性能的技术途径探讨

2012-08-15高杰

科技视界 2012年25期

高杰

（神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司甲醇制丙烯筹建处宁夏灵武 750411）

0 引言

密封性能的研究是指密封环的机械变形对密封性的影响，而变形量与接触压力是成正比例关系的，因此密封性能的研究也可以是密封面接触压力分布研究。影响密封环压力分布和变形的因素有密封面加工质量、密封环面积、压力差或弹性元件惯性力大小、密封面材料特性及其处理状态、介质性质、环境温度、元件的刚性和结构特点等。

1 卸荷阀密封的评价标准

造成密封失效产生泄漏的原因是密封环的变形量不同，即变形与密封性能之前存在联系。而密封环的变形是与密封接触压力直接有关的，接触压力大，变形量大，反之接触压力小，变形量则小。因此可通过密封面接触压力的分布情况与密封性能之间建立联系，为密封性能的好坏提供直观的判别标准。

接触压力是由于工作压力差作用，在密封环上产生高于工作压力数倍的高压，直接目的是挤压密封接触面，使其完全吻合，封闭介质通路。因此，对接触压力的要求为：

1.1 接触压力应分布均匀

固然接触压力是保证密封性能的有效性手段，但不是接触压力越大越好。因为接触压力的提高意味着受力增大，会使密封面发生变形而影响密封面的吻合，因此应保证接触压力分布均匀。此处的均匀是指整个密封接触环上的接触压力在各个径向方向上具有相同的梯度变化，也就是周向分布均匀。密封面的变形量是与接触压力成正比的，因此径向压力分布梯度相同可以使密封环周向变形量相同，保证密封。当接触压力分布严重不均时，高压区域与低压区域差值较大，周向分布趋势会有很大差异，而变形量的差异将影响密封面贴合。当密封面由于垂直度出现锥形时，这种影响将更大，高压部分发生严重的塑性变形，而部分设计接触区域可能还处于分离状态，有明显间隙存在，必然产生泄漏。此外，考虑高压工况下应力大及阀门的反复工作，累积的塑性变形将破坏密封平面度；且当波纹带发生周向转动时，阀芯受到的倾斜力矩将发生变化，密封面变形更为复杂。因此，均匀的密封接触压力分布是保证密封性能的一个重要条件。

1.2 接触压力应达到设计的密封比压

此处的接触压力是指密封面平均接触压力。而设计密封比压是指理论接触压力计算平均值。设密封比压为Pc，则 Pc＝ΔP·S／Sc，其中，S为工作压力作用的有效面积，mm2；Sc为密封环接触面积，mm2；ΔP为密封面两端压力差，MPa。

由于变形等因素的影响，实际的密封接触面积比理论的接触面积要小，即密封端面的平均接触压力要大于设计的密封比压。

2 提高密封性能的途径

2.1 规范波纹带的加工及安装过程

倾斜力矩的存在是密封面压力分布不均的诱因。因此，减少或消除波纹带产生的倾斜力矩，对降低不均度有最明显的作用效果。

倾斜力矩的存在是波纹带开口方向存在相位差导致的。因此，只要减小开口相位差，或者使其为零，即可减小或消除倾斜力矩。为了提升密封性能，应针对波纹带部分的加工和安装分别制定技术规范，填补现有技术要求中的空白。

首先，同一阀芯装配用波纹带应采用同一批次的产品，即波纹的轧制、剪断及弯曲成环的过程均为一个批次的产品，尽量保证两波纹带的尺寸参数相同，使相同位置的波纹涨力相同。

其次，波纹带端部截断部分应首先保证8个波纹的完整性，同时使多余部分尽量少，截断位置尽量靠近波谷，使端部截断处在弯曲成环后可与阀芯沟槽接触。

再次，波纹带的安装相位角直接决定着倾斜力矩的大小。在安装中，可通过在阀芯外径表面画刻标记线的方法，使两波纹带开口相角尽量小或相同。

2.2 波纹带结构的改进

在规范了波纹带的加工和安装过程后，将倾斜力矩减少到最小，可以保证静态密封过程中的密封性能。当卸荷阀工作后，波纹带可能发生转动，导致相角发生变化。由于主体密封结构不可改动，只能对波纹带相关结构进行改进设计，提高密封性能。

避免波纹带在工作过程中的窜动，应设计更合理的结构。波纹带是通过与阀芯和涨圈的接触建立约束关系的，波纹带要发生周向转动，就需要克服阀芯和涨圈对其的摩擦力。因此，提高其摩擦力是限制波纹带相角变化的有效途径。

通过增加波纹带中的波纹个数，可以提高其径向刚度；在压缩量及间隙一定的条件下，其径向支反力将提高；而摩擦系数是只与材料有关的参数，在不改变材料的基础上，转动摩擦力将加大。

波纹带是由成型模具把平面带状轧制成波纹状。考虑到工具的加工和尺寸圆整，波纹曲率半径应是离散的，如4.5mm、4mm、3.5mm、3rnm和2.5mm等。波纹的个数和曲率半径是相互限制的。波纹多即要求曲率半径小，对成型模具的要求过高，且合金3J1弹性大，过小的曲率半径难以压制波纹。波纹个数还应保证压缩后不出现重叠，也不出现开口过大情况，这也对曲率半径提出了限制。此外，波纹带开口角度还影响着倾斜力矩的大小。在增加单波涨紧力的同时，不能使合力增加过多，否则，即使很小的相角也会产生很大的倾斜力矩。因此应综合考虑径向支反力和支反力合力的作用情况，在保证支反力增量的基础上，使合力增量尽量小。

以上各方面因素的影响，应首先满足成型模具的加工要求，即曲率半径选取圆整数值，但不能过小，此处以2.5mm为下限。对于端部部分，以压缩前不出现重叠且波形个数为整数不存在端部余量为限制条件。

2.3 互换密封面材料

现有的阀芯密封面材料为聚四氟乙烯，而壳体材料为1Cr18Ni9Ti，贴合过程中，由于刚度差较大，在压力作用下，壳体必然嵌入阀芯密封表面限制阀芯的调整，不能改善接触压力的分布不均。如果将密封面材料互换，即阀芯为1Cr18Ni9Ti，而壳体阀口密封端面采用聚四氟乙烯材料。在压力作用下密封面贴合时，即使存在压力分布不均，壳体变形大而阀芯仍然保持平面，不限制阀芯的自调整，因此可以改善压力分布不均状况，达到提高密封性能的作用。此外，由于阀芯采用了刚度大的材料，而壳体接触部分为刚度低材料，塑性变形发生在壳体接触部分，但不会破坏接触平面，也不会出现环形压痕，两接触面始终保持为平面接触状态。