阀门阀杆导向密封垫磨损补偿结构设计与应用

高连勇，闫青，徐帅，梁健

（1.枣庄职业学院 机电工程系，山东 枣庄 277800；2.上海凯泉泵业有限公司，上海 230011；3.中检集团公信安全科技有限公司，山东 枣庄 277100）

0 引言

阀门是各种流体装置中不可缺少的控制设备, 在国民经济各个部门中有着广泛的应用。阀门一般有3处密封：阀盖与阀体之间属于静密封，安装后静止无磨损[1]；阀头与间隔水口之间靠压紧密封，相对磨损较小；阀杆升降属于动密封，移动频繁，磨损较大，是阀门因磨损导致密封失效介质泄漏的主要原因[2-3]。阀体为三通结构，分别为进水口、出水口及安装口。阀盖内有升降内螺纹、内孔密封室，升降内螺纹与内孔密封室间形成阶梯结构[4]。阀杆有升降外螺纹与密封导杆结构。导杆密封室由阀杆安装口的内孔密封室、阶梯结构、密封导杆及压盖组成，如图1所示。

图1 阀门结构图

阀杆密封形式很多，铸造阀门在密封室内采用填料函密封或密封圈密封，钢制阀门在密封室内采用填料函密封、密封圈密封或波纹管密封[5]。由于阀门的开启与关闭过程中阀杆上下运动，阀杆与填料函或密封垫之间的摩擦阻力增大，密封垫容易磨损使介质泄漏；波纹管密封需要与其它零件焊接成一体，工艺复杂，为防止塑性变形，必须保证工作行程，所以阀门结构尺寸大，波纹管是最易损坏的零件，并且修复工艺复杂[6-7]。因此，研究设计简便可靠的阀门密封技术十分必要。

1 上密封设计要求

针对阀杆处密封属于上密封，阀杆工作状态极其易于磨损失效的特点，改进的上密封技术，在密封零件设计上要求结构简单，适宜量产，安装调试工艺简便，维修更换容易，并尽量延长密封零件的使用寿命[8]。

2 上密封设计方案

为满足设计要求，阀门密封件材料选用耐磨耐高温的聚四氟乙烯，以提高密封件的耐磨性，减少磨损，达到延长密封零件使用寿命的要求[9-11]。密封垫设计为V形断面结构的圆形垫片如图2所示，其满足结构简单的要求，且模具制造工艺简单，能够降低模具制作成本，适宜大批量生产。

图2 V形断面圆形垫片图

采用V形断面圆形密封垫有以下优点：

1）V形断面圆形密封垫片在拧下压盖的预紧压力下，使V形断面预压发生弹性变形，密封垫片内外孔径尺寸变化，达到密封垫内孔与阀杆、密封垫外径与密封室内壁之间的密封作用。

2）当密封垫内孔磨损尺寸增大时，V形结构断面的弹变，会缩小密封垫内孔尺寸，自动补偿密封垫片内孔与阀杆之间的磨损量。

3）通过耐磨材料选用与结构弹变两个因素相结合，能够保证阀门密封的安全可靠运行，延长密封垫的使用寿命[12-13]。

4）将多片密封垫叠层直接装入密封室内即可完成安装，非常方便。

5）安装调试工艺简便，更换密封垫方便，满足快捷维修更换的要求。

3 密封技术安装方式

3.1 V形密封垫的3种安装方式

1）顺装。即V形密封垫的开口向下,相互叠层方式安装，如图3所示。

图3 密封垫顺装

2）逆装。即V形密封垫的开口向上,相互叠层方式安装，如图4所示。

图4 密封垫逆装

3）对装。即两个V形密封垫开口相对后再叠层安装，如图5所示。

图5 密封垫对装

3.2 3种安装方式的特点与选用

1）顺装。V形断面开口朝下，调整压力时压盖压在V形的尖端，压盖接触摩擦面小，调整压力时运动阻力小。在流体介质增压上顶时，刚性平垫片与V形开口端面接触摩擦面大，不利于密封垫变形延展，对密封与磨损补偿不利。

2）逆装。V形断面开口朝上，调整压力时压盖压在V形的开口上，压盖接触摩擦面大，调整压力时运动阻力大。在流体介质增压上顶时，刚性平垫片与V形尖端接触摩擦面小，利于密封垫变形延展，对密封与磨损补偿有利。

3）对装。压盖与刚性平垫片分别压在V形尖端，接触摩擦面小，利于密封垫变形延展，集中了顺装与逆装的优点，规避了顺装与逆装的缺点。但是由于对装的结构使密封垫展开尺寸增大，在具有相同密封室空间的情况下，有填装密封垫数量少，调整压力时压盖调整行程长的缺点。

综上所述，只要调整好密封室压力，3种安装方式都能满足密封要求。在密封室空间满足的条件下，对装方式受力均匀，摩擦力小，对调整预压力及在流体介质压力下对密封与磨损补偿有利，对装为首选组装方式；逆装只是调整压力时阻力稍大，在流体介质压力下对密封与磨损补偿有利，逆装方式为次选；顺装因在流体介质压力下对密封与磨损补偿不利，一般不选择顺装方式。

3.3 上密封工作原理

1）在安装调试时，压盖旋入，压紧V形密封垫时，V形密封垫的V形断面发生弹性变形，V形密封垫内外径尺寸变化，密封垫外径与密封室内壁之间、密封垫内孔与阀杆之间发生挤压，完成密封效果调试。

2）在阀门打开时，阀杆上升，升降螺纹肩部台阶带动V形密封垫下安装的刚性平垫片上移对V形密封垫进一步压缩，密封垫片V形结构弹性变形更大，阀门开启越大，密封垫的密封性越好。

3）当工作压力增加时，流体介质会推动密封垫下安装的刚性平垫片上移对V形密封垫进行压缩，V形密封垫会弹性变形，流体介质压力越大，密封垫的密封性越好。

4）由于阀杆开启移动过程形成的内孔磨损，V形密封垫预压的变形会弹性回复，对磨损量进行自动补偿，从而保证阀门的密封性，延长密封垫的使用寿命。

4 上密封试验

4.1 上密封试验适用标准

1）GB/T 12233-2008《通用阀门 铁制截止阀与升降式止回阀》；2）GB/T 13927-2008《工业阀门 压力试验》。

4.2 上密封试验适用的标准条款

1）GB/T 12233-2008第4.12/5.1条款；

2）GB/T 13927-2008第4.6/4.7.2/4.8/4.9/5.2/6.2条款；

3）以上条款适应上密封的试验要求。

4.3 试验台

本设计上密封试验采用如图6 所示的简易试验台进行试验。

图6 水压试验简图

4.4 试验方案

首先将管径小于50 mm的阀门一端连接在试验台的连接管上，阀门另一端用丝堵封闭，试验介质为自来水，试验对平密封垫与V形密封垫的密封效果进行对比，采用以下两个方案：

1）试验上密封的密封性。通水后分别对两种上密封橡胶密封垫进行预压紧，逐渐对试验介质加压至工作压力，在保证阀杆处不泄漏的情况下进行增压，按GB/T 13927第4.9/5.2条款增压至试验压力（工作压力1.1倍，保压15 min）。如果出现泄漏说明密封性不符合GB/T 13927第6.2条款密封要求，不泄漏符合上述条款密封要求。通过对比试验，两种密封垫都没有出现试验介质泄漏的情况，说明密封垫均符合GB/T 13927第6.2条款密封要求。

2）试验上密封的补偿性。通水后分别对两种上密封橡胶密封垫进行预压紧，逐渐对试验介质加压至工作压力，调整至阀杆处渗水状态，然后进行逐渐增压。通过对比试验，平密封垫组装的上密封渗水逐渐加剧，直至形成有压力的冲击水流；而V形密封垫组装的上密封渗水现象逐渐减少，直至最后消失。

4.5 试验分析与结论

通过两个试验方案的试验效果对比，说明以下问题：在密封性试验中，压紧的橡胶密封垫内外径分别与压盖内孔、阀杆外径紧密结合，起到可靠的密封作用，试验结果符合GB/T 13927第6.2条款密封要求。而在补偿性试验中，开始有少量渗水，说明橡胶密封垫内外径分别与压盖内孔、阀杆外径之间，由于表面粗糙度的问题造成间隙导致密封不严，形成少量渗水，随着水压升高，就会出现两种情况：平密封垫因为试验压力升高，会使间隙扩大，渗水状态发展为有压力的冲击水流；而V形密封垫渗水现象逐渐减少，直至最后消失。这是因为V形密封垫内孔与阀杆之间、密封垫外圆与阀体内孔之间，随着水压升高，阀头承受压力，推动阀杆上移，阀杆轴肩压缩密封垫结构弹变，使密封垫内孔径向缩小、外径径向变大，使密封垫的内孔与阀杆之间、外径与阀体内孔之间的压力增加，有效地消除因表面粗糙度形成的间隙，泄漏消失。通过以上试验与分析，两种密封垫都能保证密封作用，并符合GB/T 13927第6.2条款密封要求。但是V形密封垫在使用过程中，随着工作压力的增加，由于结构弹性变形作用会使密封效果更好。以此推理，如果密封垫内孔磨损造成上密封泄漏也会因为V形橡胶密封垫结构弹性回复进行补偿，实现可靠密封。

因此通过以上试验得出结论：采用V形橡胶密封垫组装的上密封结构，阀门密封调试只需要预调压力不出现泄漏即可；随着工作压力的增加密封效果更好；利用结构弹变回复可以补偿磨损；有利于延长密封垫使用寿命。

5 结论

本设计首先分析了阀门密封零件的工作状态，提出上密封泄漏是阀门失效的主要原因。针对其存在的问题，依据GB/T 13927第6.2条款上密封试验“不允许有可见的泄漏”的要求，提出对上密封的改进设计，提出采用V形橡胶密封垫的设计技术方案。利用V形断面结构在工作压力增加发生弹性变形，V形断面结构开口扩张，改变密封垫内外径尺寸的原理，实现可靠的上密封。通过试验分析，流体介质压力越大密封效果越好，弹性回复能够自动补偿密封垫磨损，延长密封垫使用寿命。且密封零件结构与工艺简单，便于实施量产，安装调试方便快捷。