彈性變形能密封原理與密封座結構模塊化

如果次級主密封采用彈性體橡膠，無論是圓形截面或三角形截面，它的密封原理已經(jīng)發(fā)生了根本的變化，這一原理稱為彈性體的彈性變形能自密封原理 （self-energying），如圖3-35所示。

圖3-35 （a）中，在彈簧預緊力作用下，當介質(zhì)壓力為零時，彈簧力將閥座推向球體；圖3-35 （b）中，三角形橡膠圈承受了部分的壓縮；圖3-35（c） 中，在介質(zhì)壓力作用下，作用在密封座上的力，把閥座進一步推向球體，在三角形密封圈進一步產(chǎn)生壓縮；圖3-35 （d）中，根據(jù)三角形密封圈彈性體自身變形能密封原理，介質(zhì)壓力進入三角形密封圈的內(nèi)側(cè)壓迫彈性體產(chǎn)生變形，彈性被壓縮后要求恢復初始形狀的力，作用在球面上，獲得可靠的密封效果。

先考察如果用高分子材料，如PTFE作為次級主密封的密封環(huán)材料，那么在由于壓差引起的介質(zhì)力作用在閥座上，推動閥座與球體接觸，高分子材料上的接觸應力，使密封環(huán)發(fā)生宏觀變形，達到密封效果。 這個力所產(chǎn)生的接觸應力，稱之為比壓g，必須大于密封的必需比壓％，這一個動態(tài)過程，高分子材料不是一個彈性體，在介質(zhì)壓力下發(fā)生局部的彈塑性變形。

如果用彈性體橡膠作為密封環(huán)的材料，密封的機理發(fā)生了變化，作用在閥座上的介質(zhì)力只是把閥座推向球體，這個力不需要很大，而真正密封的力是介質(zhì)進入到彈性體凹槽的一側(cè)，壓迫彈性體發(fā)生彈性變形，像一個彈簧被壓縮一樣，彈性體通過自身要求恢 復初始形狀的力，作用在球體表面，這一密封原理稱為self-energying，翻譯為彈性體自身變形能密封原理。顯然這一密封效果好得多，只要合理地選擇凹槽與球面的間隙，其密封壓力差zui高可達到320 bar。所以橡膠彈性體很快在管線球閥中獲應用，取得很好的效果。在非耐蝕性的介質(zhì)中取代高分子材料PT- FE。正是由于這一密封原理的變化，才有可能將閥座設計成具有雙活塞效應的隔離型閥座。但帶來一個問題，就是如何滿足ASMEB16.34關于腔體壓力泄放的規(guī)定。在API 6D標準中有相應的規(guī)定，就是另外設置一個壓力泄放裝置，當腔體壓力超過額定壓力1.33倍時，泄放裝置應自動打開。發(fā)生這種情況的可能性只有液態(tài)介質(zhì)被夾持在腔體內(nèi)，而且當環(huán)境溫度或者使用工況的溫度發(fā)生變化時，有可能使被夾持在閥腔中的液態(tài)介質(zhì)發(fā)生相變，而導致壓力驟然升高時才有可能發(fā)生。因此，供方需要提醒，需方需確認，在合同中明確是否需要設置泄放裝置。

有的時候，需方要求閥門具有“雙活塞效應”， 即進口和出口閥座同時具有密封功能，而又不希望設置安全泄放裝置，這樣可以將進口端閥座設計成截斷型閥座（單向截斷），出口端設計成隔離型閥座（雙向隔離），即腔體壓力驟然升高時，介質(zhì)向進口端排放。這樣，就整個閥門而言，閥門是有流動方向的， 是單向的（indirection），不是雙向的（bi-direction）

應予以注意，并在殼體上有介質(zhì)流向的標志。這種功能在API 6D中，稱為D&n雙隔離與排放功能，即一只單向截斷型閥座與一只雙向隔離型閥座。而通常的雙活塞效應稱為D&I雙隔離排放功能，即兩只雙向隔離型閥座。

這種軟密封閥座的另一個問題是閥門開啟過程中流體通道喉部截面處的負壓效應。無論是Cameron 用PTFE或尼龍作密封環(huán)的組合密封結構，還是 Grove以用彈性體橡膠作密封環(huán)的組合密封結構，在閥門的開啟瞬間，在高壓力差的情況下，都會發(fā)生負

壓效應，而積聚在密封環(huán)槽內(nèi)的高壓介質(zhì)與通道介質(zhì)產(chǎn)生壓差，這一壓差引起的力，足以使密封環(huán)從槽中吹出而損壞。

在開啟瞬間，閥門的流通截面很像一個拉伐爾噴管的通道，在zui小截面處（喉部），可能出現(xiàn)了聲速流動，根據(jù)伯努利方程能量守恒原理，壓力能變?yōu)閯幽埽诤聿克俣仍黾樱瑝毫档停纬梢粋€負壓區(qū)。 這種情況對于氣體尤其危險，如出現(xiàn)聲速流動時，負壓區(qū)的壓降可能達到0.77MPa，可能將密封環(huán)撕裂。

為了防止這一情況的發(fā)生，結構上采用兩種方法，一是有效的固定，如金屬閥座翻邊，加壓板固定，或過盈配合嵌人槽內(nèi)。另一種方法是在密封環(huán)凹槽內(nèi)，設置一組泄壓的孔將凹槽內(nèi)介質(zhì)壓力泄放至出口低壓側(cè)。這組小孔設置在閥門的水平位置，在15° 角的區(qū)域內(nèi)。它的效果是改變了作用在密封環(huán)上力的方向，保護密封材料不被損壞。

管線球閥的組合密封座發(fā)展至今，基本上已漸趨標準化，可以分為兩種情況。

（1）熱塑性高分子材料

由熱塑性高分子材料作為密封材料的組合密封座，其密封材料按不同工況（壓力、溫度和介質(zhì)）給予選擇，例如：

①填充PTFE塑料適用于閥門Classl50?600壓力級；

②DELON適用于閥門Classl50?2500壓力級；

③P. CTFE適用于閥門Classl50?1500壓力級；

④尼龍NYLON與LAURAMID適用于閥門 Classl50?2500 壓力級；

⑤PEEK適用于閥門Classl50?2500壓力級；

© VESPEL （polyimide）適用于閥門 Classl50?2500壓力級。

它們的結構與使用溫度范圍如圖3-36所示。

（2）橡膠彈性體

由橡膠彈性體作為密封材料的組合密封座，其密封材料的截面形狀可以做成0形的或三角形的 （deltaring）,橡膠的邵氏硬度為98，并牢固地被鎖定在凹槽內(nèi)，其適用范圍的閥門壓力級為ClaSS150?900。zui常用的橡膠材料：T49/TBSh98（HNBR ）； T58sh98（FKM ）全氟醚橡膠；T58/VED （FKM 防 爆型）防爆型全氟醚橡膠；T58/GLTsh989 （FKMGLT）全氟醚橡膠。其適用的溫度范圍如圖3-37 所示。    

來源：上海自動化儀表銷售網(wǎng)（www.40017.net）

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