钢管水压试验机水路阀门密封面设计

孔立群，王 震

(中国重型机械研究院西安重型技术有限责任公司，西安710032)

钢管水压试验机水路阀门密封面设计

孔立群，王 震

(中国重型机械研究院西安重型技术有限责任公司，西安710032)

阐述了钢管水压试验机水路阀门密封面密封原理，并分析了造成泄露的两个主要因素为密封副之间存在间隙和密封副两侧存在压差。指出阀门密封面应根据工艺条件、流体介质性质、工作温度、压力和阀门通径等技术参数进行设计，给出了密封面设计参数的计算方法，并通过计算得出了密封面宽度和密封力对密封面密封性能的影响，同时分析了使用水介质情况下，影响密封面密封性能的相关因素。

焊管；水压机；阀门；密封面；密封原理；密封力；密封比压；气蚀

0 前 言

钢管水压试验机水路阀门密封面的密封性能的优劣，直接关系到水压试验机能否正常、高效工作。阀门密封面应根据工艺条件、流体介质的性质、工作温度、压力及阀门通径等技术参数，依照密封原理进行设计，同时选择合理的密封材料和科学的密封副匹配，以求获得可靠的密封性能。

阀门密封面是指阀座与关闭件互相接触进行关闭的部分。钢管水压试验机水路阀门密封面大多为金属锥面密封结构，本研究以锥面密封为研究对象进行密封面基本设计及密封性能的探讨。

1 密封原理

密封的基本原理是通过不同途径阻止介质的泄漏。造成泄漏的因素主要有两个：①密封副之间存在着间隙；②密封副两侧存在着压差。前者是影响密封性能的主要因素。

接触密封是指借助密封力使密封面互相靠紧、接触并嵌入以减小或消除间隙的各类密封,锥面密封属于接触密封。为保证接触面的密封性，必须在密封面之间产生相互作用力，即在结合的密封面上产生一定的比压，依靠比压使平面上已有的平面度产生变形。如果变形是在材料的弹性极限范围内，并产生不大的残余变形时，那么接触面每当施加力F时，便可以保证其密封性；如果密封表面粗糙，平面度偏差大，则保证密封所施加的作用力就大，密封面上产生的残余变形也大。根据“只有当密封表面间的间隙小于介质分子直径时，才能保证介质不渗漏”的观点，认为防止水压机介质渗漏间隙值必须小至0.003 μm。但是，即使经过精密研磨的金属表面，其凸峰高度仍会＞0.1 μm，即比水分子直径大30倍。由此可见，只依靠提高密封表面粗糙度来解决绝对密封的方法是不可行的。

绝对密封非常困难，经过一定时间总会有若干介质渗漏或蒸发。但是当密封性能良好时，渗漏介质的数量极少，可以忽略不计。在密封结构工作的初始阶段，通过密封结构处的介质渗漏量是变化的。密封副周边单位长度上的泄漏量与毛细管直径d的四次方、液体的密度、密封副两侧的压差乘积成正比，与密封面宽度成反比。显然，泄漏量的大小与流体的性质有关。

由于闭塞现象，通过间隙的渗漏量逐渐减少，在经过一段时间后，其数量会趋于恒定。由于缝隙闭塞，间隙被极性分子的附着层填满，当间隙不超过0.02mm时，介质逐渐停止渗漏。

经研究发现，由两个接触金属面形成的密封所渗漏的介质数量取决于以下几个方面：①密封面的表面质量，包括密封表面的微观几何形状、平面度及与理想表面的偏差程度；②密封面的宽度；③密封面内外的压力差大小；④密封面上的比压值；⑤工作介质的性质；⑥密封面的亲水性或憎水性；⑦密封面间有无密封油脂；⑧闭路阀的结构；⑨密封面材料及其处理状态。

2 锥密封面设计计算

锥面密封结构如图1所示。

图1 锥面密封结构

2.1 密封面上的总作用力和比压计算

密封面上的总作用力FMZ的计算为

式中:FMJ—密封面上介质作用力,N;

FMF—密封面上密封力，N;

DMN—密封面内径，设计给定，mm；

DMW—密封面外径，设计给定，mm；

α—密封面锥半角，设计给定，(°)；

bM—密封面宽度，设计给定，mm；

p—设计压力，设计给定，MPa；

fM—密封面摩擦因数，具体数值见表1；

qMF—密封面必需比压，MPa。

密封面比压q计算为

密封面比压的合格标准为qMF≤q≤[q]，其中[q]为密封面许用比压，具体数值见表2。

表1 密封面的摩擦因数

表2 常用密封材料的许用比压

2.2 公式中参数的选用

影响密封面密封性能的参数为密封面宽度bM和密封面上的密封力F。

密封面宽度决定毛细孔的长度。当宽度加大时，液体沿毛细孔运动路程增加，泄漏量成正比减小。但实际上因为密封副接触面不能全部吻合，不能完全起到密封作用，随着密封面宽度的增加，密封所需作用力也需要增大，同时密封面的加工难度也随之增加。反之，若密封面宽度选取较小值时，密封面比压增大，导致密封面容易被压坏。

密封力F对密封面密封性能的影响：①密封力F选取较大值时，密封性好，但密封面容易被压坏，同时增大了密封力F也带来了成本的提高。反之，密封力F选取较小值时却容易发生泄漏；②密封力F取值与密封面材料有关。当密封面材料硬度低，小的密封力F就能压平密封面加工痕迹取得较好的密封效果，当密封材料硬度高时，虽然用了很大的密封力，但也很难把密封面加工痕迹压平，达不到密封效果。③密封力F的取值跟介质压力差有关，当介质压差较大时，要达到密封必须要有很小的沟槽通道直径和很长的密封宽度。同时，在宽度和加工精度确定的情况下，要达到沟槽通道直径较小的条件，就必须加大密封力F值才能达到目的。

3 影响水介质密封面密封性能的因素

3.1 气蚀与气蚀磨损

由于水的汽化压力高，节流口处的流速也很高，所以在水压阀中很容易产生气蚀。气蚀对材料表面的破坏主要体现在气泡崩溃后产生的压力波对零件表面产生很强的冲击作用。由于水的密度大，可压缩性小，同矿物油相比，水在气泡破裂时产生的压力冲击会更大，破坏力更强，这种冲击压力最高时甚至可以超过1 GPa。气蚀在锥阀芯和阀座上产生两种形式的侵蚀：一种是大尺寸的凹坑，是由单个气泡的破裂造成的；另一种是一些较小的凹坑，是由一些强度较弱的冲击累积作用而成的。

气蚀的破坏速度与材料的机械性能关系密切。对大多数材料来说，硬度是影响气蚀的主要因素，抗气蚀能力会随着材料硬度的提高而提高，两者之间大致成指数关系。硬度低的材料在断裂或出现裂缝之前先产生塑性变形，而硬质材料首先出现的破坏形式就是疲劳断裂。常见材料按抗气蚀能力的强弱依次为黄铜、不锈钢316、不锈钢630、不锈钢440C、司太立合金6。

气蚀破坏与材料的疲劳强度也有关，这是因为不断生成的气泡不断崩溃对零件表面会产生重复性的冲击，导致材料的疲劳。另外，水中气体的含量、阀芯形状、阀口开度、出口背压等对气蚀的强弱都有一定影响。

3.2 拉丝侵蚀和冲蚀

产生拉丝侵蚀的原因主要有两种：①由于水的黏度低，在相同的条件下阀口的流速比油压阀高，在小开度、大压差情况下更是如此，流速有时甚至高达200m/s。当如此高速的水流流过节流口时，会对阀芯与阀座产生严重的冲刷作用，久而久之会在其上面形成一道道沟痕；②因为水压阀常用在开式系统，有时甚至直接放在水底，因而一些细小的砂砾会被吸进系统。这些砂砾被高速水流携带着冲向零件表面，象小刀一样也会在零件表面刮出一条条痕迹。高速水流造成的拉丝侵蚀和微小颗粒造成的拉丝侵蚀形状上基本相同，都是一条条拉长的沟槽，其方向与水流动方向一致。冲蚀则是水流以一定的角度冲向零件表面所造成的，形状多为凹坑。材料硬度对抗拉丝侵蚀和冲蚀有很大的作用，一般来说，材料的硬度越高，抗拉丝侵蚀和冲蚀能力就越强。

4 结语

钢管水压试验机水路阀门密封面设计应遵循水介质性质，根据密封原理结合实地使用工况、设计要求等因素确定合理的密封面宽度和密封力，进而验算密封面比压在合理规定的范围内。设计时应考虑金属密封面易受夹入介质和磨损颗粒的影响而损坏，还受介质腐蚀、冲刷和气蚀的损害。因此，密封面必须选择能够抗腐蚀、耐冲刷、抗擦伤以及具有合适硬度的材料。

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Sealing Surface Design for Waterway Valve of Steel Pipe Hydrostatic Testing Machine

KONG Liqun,WANG Zhen
(China heavy machinery research institute Xi'an Heavy Type Technology Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China)

In this article,it expatiated the sealing principle of steel pipe hydrostatic testing machine sealing surface,and analyzed two main factors caused leak,including the gap existing sealing pair and the differential pressure existing in both sides of sealing pair.It pointed out that the valve sealing surface should be designed according to process conditions,fluid performance,working temperature,pressure and valve size and other technical parameters.The calculation method for sealing surface design parameters was provided,a conclusion of the influence of sealing surface width and sealing force on sealing performance was obtained through calculation.Simultaneously,it analyzed the relevant factors for affecting sealing performance of sealing surface in the case of water medium.

welded pipe;hydraulic press;valve;sealing surface;sealing principle;sealing force;sealing pressure ratio;cavitation

TG115.6

B

1001-3938(2015)02-0042-04

孔立群(1974—)，男，工程师，主要从事焊管设备设计与研发工作。

2014-12-08

张 歌