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唇形密封圈在固定球球閥中的應用

2024-09-04

作者：陳鑒　劉秀波

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

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”一樣廣泛應用于各個領域，且實現(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)中泛塞圈一般應用在橡膠O形圈不能使用的特殊工況，如低溫、強腐蝕性介質(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用。

3　密封原理

泛塞圈在工作狀態(tài)時，密封唇和金屬彈簧處于壓縮狀態(tài)。夾套內(nèi)部的彈簧提供了一個初始預緊力，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　結構特點

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載和變形范圍，應用較廣泛。另外，當有反向介質(zhì)壓力時，彈簧的開口處被介質(zhì)壓力壓縮，會產(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)能提供相對恒定的載荷，使得密封件不會過度變形而損壞。因此，橢圓形彈簧可以應用于封閉式溝槽設計。

4.2 支撐環(huán)

當有反向介質(zhì)壓力時，為了保護夾套密封唇不被損壞，需要在彈簧尾部設計支撐環(huán)。支撐環(huán)有矩形、L形和T形等結構（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)濟的做法是用金屬鋼帶卷焊而成。缺點是裝配時沒有定位，容易產(chǎn)生偏心，為了防止裝配時脫落和偏心，矩形支撐環(huán)與V形彈簧接觸的部位需要點焊固定，但這又容易對彈簧載荷產(chǎn)生影響。另外，在往復行程較大的場合下不宜使用，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，彌補了矩形支撐環(huán)的缺點，可以在往復行程較大的場合下使用，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咬合間隙。擋圈應比夾套材料更加堅硬，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構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，閥體與泛塞圈接觸的部位應設計成光滑的安裝倒角和圓角，此時的泛塞圈處于自由狀態(tài)，具有一定的變形范圍，在緊湊型設計的情況下，閥體該部位也可以只設計裝配圓角。在閥座與泛塞圈接觸的部位必須設計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現(xiàn)這一功能。對于壓力等級越低的閥門，實現(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計。密封時由于閥座右側受壓面積大于左側，因此靠介質(zhì)壓力產(chǎn)生活塞效應，將閥座推向球體實現(xiàn)密封（圖7（a））。

圖7 普通泛塞圈自泄壓閥座的密封與泄壓

當閥腔超壓時，由于泛塞圈的左側壓力大于右側壓力，因此將泛塞圈推至閥體。此時閥座右側的受壓面積仍然大于左側的受壓面積，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））。自泄壓結構的閥座其泛塞圈必須選擇V形彈簧，因為圓形和橢圓形彈簧受壓后只會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，也要實現(xiàn)泄壓，故其彈簧力的設計與控制顯得尤為重要。經(jīng)過多次試驗，V形彈簧的泛塞圈若要實現(xiàn)可靠的密封，反向泄壓值通常不能低于1.5MPa。因此，表1中壓力等級為150磅級與300磅級的球閥不應使用V形彈簧泛塞圈的閥座。針對自泄壓問題，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。這樣當閥腔超壓時，即使泛塞圈不能泄壓，閥座左側的受壓面積大于右側，也能推動閥座遠離球體。這個方案的缺點是閥門的開啟扭矩顯著增加。實際應用僅限于低壓閥門。

（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。當閥腔超壓時，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整體進行受力分析。該方案的缺點是結構復雜，一些小口徑的閥門沒有設計空間，而且在閥體上必須設計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，結構簡單，設計緊湊，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，彈簧伸出泛塞圈尾部，以便受反向壓力時保護密封唇口。缺點是拆卸不便，拆卸時容易損壞泛塞圈。

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閥座即可截斷來自兩端的介質(zhì)，因此不具備自泄壓功能（圖9），為了方便拆裝，閥座與閥體均應設計足夠大的安裝倒向角。泛塞圈應用于雙活塞閥座時通常是背靠背安裝兩組（圖9）。當圖9（a）的結構改用圓形彈簧泛塞圈時，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。