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唇形密封圈在固定球球閥中的應(yīng)用

作者：陳鑒　劉秀波

摘要：介紹了唇形密封圈的工作原理、結(jié)構(gòu)類型和安裝方法，論述了應(yīng)用唇形密封圈組成的自泄壓閥座和雙活塞效應(yīng)閥座的功能。

1　概述

唇形密封圈（Lipseal）也稱彈簧蓄能密封圈。因其優(yōu)越的性能，像“塞子”一樣廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，且實(shí)現(xiàn)密封功能，故也稱為“泛塞圈”。泛塞圈的夾套由PTFE、RPTFE或其他高性能聚合物制成，內(nèi)部彈簧可以選擇不同的材料。因泛塞圈具有耐介質(zhì)腐蝕和耐老化性能，在閥門行業(yè)中泛塞圈一般應(yīng)用在橡膠O形圈不能使用的特殊工況，如低溫、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)等工況。

2　性能

適用溫度：-270～340℃

適用壓力：0～350MPa

適用尺寸：0.635～3000mm

適用介質(zhì)：幾乎所有介質(zhì)

本文僅討論泛塞圈作為密封件在固定球球閥閥座部位的應(yīng)用。

3　密封原理

泛塞圈在工作狀態(tài)時(shí)，密封唇和金屬?gòu)椈商幱趬嚎s狀態(tài)。夾套內(nèi)部的彈簧提供了一個(gè)初始預(yù)緊力，使得低壓工況有很好的密封效果。除了彈簧載荷以外，介質(zhì)壓力會(huì)在密封唇上施加額外的載荷。理論上講，介質(zhì)壓力越高，密封效果越好（圖1）。

圖1 密封原理

4　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4.1 彈簧

泛塞圈內(nèi)部的彈簧主要有圓形、V形和橢圓形3種（圖2），其材料可由AISI301、Elgiloy、Inconel718、HastelloyC276等合金鋼制成。3種彈簧的載荷與壓縮率相差較大（圖3）。

圖2 彈簧類型

圖3 泛塞圈彈簧載荷與壓縮率的關(guān)系

圓形彈簧也稱螺旋彈簧，用扁平鋼條旋繞而成，能提供比其他彈簧更大的載荷，但變形范圍較小。因此，圓形彈簧適合用于氣體介質(zhì)和低溫介質(zhì)。

V形彈簧的工作原理類似“懸臂梁”，使得彈簧提供的載荷集中在密封唇的前緣，這種彈簧具有中等負(fù)載和變形范圍，應(yīng)用較廣泛。另外，當(dāng)有反向介質(zhì)壓力時(shí)，彈簧的開口處被介質(zhì)壓力壓縮，會(huì)產(chǎn)生“泄壓”功能。

橢圓形彈簧由圓形鋼絲旋繞成傾斜線圈而成，在很寬的變形范圍內(nèi)能提供相對(duì)恒定的載荷，使得密封件不會(huì)過度變形而損壞。因此，橢圓形彈簧可以應(yīng)用于封閉式溝槽設(shè)計(jì)。

4.2 支撐環(huán)

當(dāng)有反向介質(zhì)壓力時(shí)，為了保護(hù)夾套密封唇不被損壞，需要在彈簧尾部設(shè)計(jì)支撐環(huán)。支撐環(huán)有矩形、L形和T形等結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖4 支撐環(huán)類型

矩形支撐環(huán)的截面類似矩形，其僅與V形彈簧配合使用，較為經(jīng)濟(jì)的做法是用金屬鋼帶卷焊而成。缺點(diǎn)是裝配時(shí)沒有定位，容易產(chǎn)生偏心，為了防止裝配時(shí)脫落和偏心，矩形支撐環(huán)與V形彈簧接觸的部位需要點(diǎn)焊固定，但這又容易對(duì)彈簧載荷產(chǎn)生影響。另外，在往復(fù)行程較大的場(chǎng)合下不宜使用，如上裝式固定球球閥閥座部位。

L形和T形支撐環(huán)由金屬或工程塑料加工而成，彌補(bǔ)了矩形支撐環(huán)的缺點(diǎn)，可以在往復(fù)行程較大的場(chǎng)合下使用，但制造成本較高。

4.3 擋圈

高壓和/或高溫介質(zhì)工況，金屬零件之間的咬合間隙非常重要。咬合間隙是配合零件之間的單側(cè)間隙，在高壓和/或高溫介質(zhì)工況下，過大的間隙可能促使泛塞圈夾套被擠壓進(jìn)咬合間隙，從而造成密封失效。

增加泛塞圈根部的厚度可以改善咬合，更為有效的方式是使用擋圈彌補(bǔ)咬合間隙。擋圈應(yīng)比夾套材料更加堅(jiān)硬，通常使用高填充的RPTFE或PEEK（圖5）。

圖5 擋圈

5　裝配

安裝泛塞圈的溝槽結(jié)構(gòu)要有利于其裝配和拆卸，以避免夾套密封唇的損壞。泛塞圈初始裝入閥體時(shí)，閥體與泛塞圈接觸的部位應(yīng)設(shè)計(jì)成光滑的安裝倒角和圓角，此時(shí)的泛塞圈處于自由狀態(tài)，具有一定的變形范圍，在緊湊型設(shè)計(jì)的情況下，閥體該部位也可以只設(shè)計(jì)裝配圓角。在閥座與泛塞圈接觸的部位必須設(shè)計(jì)足夠大的裝配倒角和圓角（圖6）。

圖6 泛塞圈的裝配過程

6　應(yīng)用

6.1 自泄壓閥座

API6D規(guī)定，固定球球閥的閥腔壓力不得超過兩端管線壓力的33%（表1），利用自泄壓閥座可以實(shí)現(xiàn)這一功能。對(duì)于壓力等級(jí)越低的閥門，實(shí)現(xiàn)自泄壓的難度越大。

表1 閥腔的最大允許超壓值 MPa

注：38℃下閥門主體材質(zhì)為A105。

普通的泛塞圈自泄壓閥座密封溝槽是開放式設(shè)計(jì)。密封時(shí)由于閥座右側(cè)受壓面積大于左側(cè)，因此靠介質(zhì)壓力產(chǎn)生活塞效應(yīng)，將閥座推向球體實(shí)現(xiàn)密封（圖7（a））。

圖7 普通泛塞圈自泄壓閥座的密封與泄壓

當(dāng)閥腔超壓時(shí)，由于泛塞圈的左側(cè)壓力大于右側(cè)壓力，因此將泛塞圈推至閥體。此時(shí)閥座右側(cè)的受壓面積仍然大于左側(cè)的受壓面積，閥座仍將靠緊球體密封（圖7（b））。自泄壓功能必須通過泛塞圈泄壓才能夠?qū)崿F(xiàn)（圖7（c））。自泄壓結(jié)構(gòu)的閥座其泛塞圈必須選擇V形彈簧，因?yàn)閳A形和橢圓形彈簧受壓后只會(huì)將閥體與閥座越撐越緊，直到被閥腔的壓力壓壞為止。

V形彈簧的泛塞圈既要保證密封，也要實(shí)現(xiàn)泄壓，故其彈簧力的設(shè)計(jì)與控制顯得尤為重要。經(jīng)過多次試驗(yàn)，V形彈簧的泛塞圈若要實(shí)現(xiàn)可靠的密封，反向泄壓值通常不能低于1.5MPa。因此，表1中壓力等級(jí)為150磅級(jí)與300磅級(jí)的球閥不應(yīng)使用V形彈簧泛塞圈的閥座。針對(duì)自泄壓?jiǎn)栴}，給出了三種解決方案。

（1）增大面積差。通過增大泛塞圈與閥座的配合面尺寸實(shí)現(xiàn)閥座的自泄壓（圖8（a））。泛塞圈的內(nèi)徑值需要大于閥座與球體接觸部位的尺寸。這樣當(dāng)閥腔超壓時(shí)，即使泛塞圈不能泄壓，閥座左側(cè)的受壓面積大于右側(cè)，也能推動(dòng)閥座遠(yuǎn)離球體。這個(gè)方案的缺點(diǎn)是閥門的開啟扭矩顯著增加。實(shí)際應(yīng)用僅限于低壓閥門。

（2）增加擋塊。在閥座的尾部增加擋塊，用螺釘將擋塊與閥座連為一體（圖8（b）），使泛塞圈與閥座可以整體移動(dòng)。當(dāng)閥腔超壓時(shí)，雖然泛塞圈被來自閥腔的壓力推離，但最終的作用力仍作用在閥座上，因此可以將泛塞圈與閥座作為一個(gè)整體進(jìn)行受力分析。該方案的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一些小口徑的閥門沒有設(shè)計(jì)空間，而且在閥體上必須設(shè)計(jì)足夠大的泛塞圈安裝倒角，防止損壞泛塞圈的密封唇口。

（3）封閉式溝槽。采用封閉式溝槽，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)緊湊，適合一些小口徑的閥門。另外，泛塞圈選用橢圓形彈簧，可以充分利用這種彈簧的特點(diǎn)，彈簧伸出泛塞圈尾部，以便受反向壓力時(shí)保護(hù)密封唇口。缺點(diǎn)是拆卸不便，拆卸時(shí)容易損壞泛塞圈。

圖8 泛塞圈自泄壓閥座的解決方案

6.2 雙活塞閥座

雙活塞閥座要求用單個(gè)閥座即可截?cái)鄟碜詢啥说慕橘|(zhì)，因此不具備自泄壓功能（圖9），為了方便拆裝，閥座與閥體均應(yīng)設(shè)計(jì)足夠大的安裝倒向角。泛塞圈應(yīng)用于雙活塞閥座時(shí)通常是背靠背安裝兩組（圖9）。當(dāng)圖9（a）的結(jié)構(gòu)改用圓形彈簧泛塞圈時(shí)，要特別注意系統(tǒng)壓力不能超過圓形彈簧的載荷，否則容易將圓形彈簧壓潰。