阀门密封知识大全!密封原理及多种影响因素

阀门密封知识大全！密封原理及多种影响因素

阀门密封性原理

密封就是防止泄漏，那么阀门密封性原理也是从防止泄漏研究的。阀门的种类繁多，但是基本的作用却是一致的，那就是连通或者截断介质流。因此，阀门的密封问题就显得十分突出。

要保证阀门能够良好的截断介质流，不发生泄漏，就要保证阀门的密封完好。而造成阀门泄漏的原因很多，包括结构设计上的不合理、密封接触面有缺陷、紧固零件发生松动、阀体与阀盖间的配合不紧密等等，所有这些问题都可能导致阀门密封不好，从而产生泄漏问题。所以，阀门密封技术是关系到阀门性能和质量的一项重要技术，需要进行系统深入的研究。

阀门从产生到现在，其密封技术也经历了很大的发展。到目前为止，阀门密封技术主要体现在两大方面，即静密封和动密封。

所谓静密封，通常是指两个静止面之间的密封，静密封的密封方法主要是使用垫圈。

所谓动密封，主要是指阀杆的密封，即不让阀内的介质随阀杆运动而发生泄漏，动密封的密封方法主要是使用填料函。

阀门类型对密封解决方案的选择有很大影响。

升杆闸阀的开-关行程通常较长。如果操作较为频繁，此类长行程线性运动会给密封带来难度。多数情况下，此类阀门的操作频度不会超过每星期一次，甚至每年只操作一次。盘根压盖、阀杆和填料函之间的间隙非常重要。如果缝隙较大，线性运动会导致部分密封元件被挤入，或拖曳杂质微粒穿过密封元件。因此可在底部装一个清洁环，有些情况下顶部也可安装一个。

截止阀较常采用升杆加旋转运动模式，它的密封难度最大，因为阀杆会同时在两个方向上同时运动，盘根组会逐步接触到整个阀杆的表

面。阀杆如有任何偏心或失圆，都可能导致盘根元件破损并泄漏。和闸阀的情况相似，线性运动会拖曳杂质微粒穿过密封元件，然后进入工艺流体。

球阀、蝶阀和旋塞阀都是常见的直角回转阀门。当阀杆相对于密封元件转动九十度，阀门即可完成从开到关的整个过程。这样的运动模式意味着最容易密封，因为它比其它类型阀门的行程小得多。与线性运动模式不同，直角回转运动不容易拖曳杂质微粒穿过密封元件。值得关注的是阀杆偏心问题，有些密封元件对于执行器对位不准极为敏感，甚至会导致阀杆密封性能降低。

直角回转阀的填料函有许多不同的设计，这往往会导致密封元件的选择范围受限制。很多情况下填料函都很浅，高压工况下很难实现紧密密封。

控制阀的阀杆密封难度通常是最大的，主要原因是操作频繁，而且阀杆密封应力不能太高。如果一台控制阀经历了100,000次阀杆循环操作，那么系统中其它类型的阀门往往只经历了1500次。高频度循环操作会导致密封元件磨损，随着时间推移会降低密封性能。为了优化流体控制性能，控制阀阀杆不能承受太大摩擦力，因此作用于控制阀的密封应力，明显低于手动阀门的密封应力。如果密封元件导致阀杆受到过大摩擦力，阀门的动作会滞后或出现速度偏差，并导致阀杆动作过大，流体控制性能降低。

线性控制阀的密封难度高于回转控制阀。和直角回转阀相似，回转控制阀的阀杆动作只有圆周运动一种模式，而且需要密封的阀杆表面积明显小于线性控制阀。

冶金特种阀的阀杆材质通常相对较软，选择密封元件时需注意这点。理想的情况是密封元件材质比阀杆材质更软，这样可以最大限度降低阀杆磨损。有些冶金特种阀的压盖螺栓屈服强度比较低，需要避免密封元件的载荷接近能够承受的最大应力。

阀门尺寸同样也是影响密封元件选择的一大因素。

就小尺寸阀门而言，阀杆与填料函内壁之间的环形截面较小。有些情况下小不一定是好事，因为它会限制密封元件的选择范围。小型阀门的环形截面通常仅有.125”，很难安装材质坚固、设计新颖的密封元件。

大尺寸阀门也不是说没问题了。尺寸大可能导致施加在阀杆和盘根组上的载荷过大。阀门振动时，产生的作用力对于标准密封元件可能太大。大型阀门不同截面部位的温差也较大，可能导致结构变形。

对大多数类型的阀门而言，填料函尺寸最理想的比例是空腔高度大约

是横截面直径的三至五倍。如果是密封要求不高的直角回转阀，即使填料函较浅也能有效密封。太深的填料函首先意味着密封组件容易固结，导致密封应力损失，进而发生泄漏。其次就是对阀杆的摩擦力较高，在有些应用场合会成为阻碍。

根据各种密封系统的具体情况，密封元件和阀体表面处理工艺必须合理匹配。以O型圈为例，需要阀体表面相对光滑，而其它密封元件可能需要比较粗糙的表面才能更好地密封。许多情况下，全新阀门的阀杆表面太光滑，导致摩擦力过大，并和密封元件产生黏-滑效应。低摩擦力的密封元件，例如聚四氟乙烯基(PTFE)密封件可以避免这些不良现象。碳/石墨基密封元件遇到太光滑的表面就可能出问题。此外，填料函空腔的表面处理也应该和密封

元件相匹配。

阀门填料阀门密封的关键因素

压缩填料

填料是一种传统的压盖密封,可以采用多种材料制造。用填料装填填料时,填料在结构上可以为散状的(通常混合有润滑剂)；制成一定断面(一般为矩形,但有时也用圆形截面);切成适当长度绕成螺旋状的或者作为切制图,装在压盖上的成型件。无论采用哪种结构,都是靠压紧压盖,迫使填料紧压在密封表面上而取得密封作用的。填料压盖的工作原理,如图1所示。

图1

由于压紧压盖所形成的压紧力产生一种造成密封效果的径向压力。径向压力沿整个填料长度按指数曲线分布。为了保持填料的“干”状态,内侧圈上的径向压力至少要等于系统的内压力,这就意味着外侧圈上的径向压力高得多,在大多数用途中是过高的(导致过大的摩擦,轴磨损和气动密封件失效)。因此,在大多数使用中,要将压紧力调整到允许最末一个圈填料稍有一点泄漏,也就是说这个环上的径向压力稍微低于系统的内压力。然而,这样一来,如果将压盖调整到不产生泄漏的最小压缩程度时,则大多数填料圈上就将出现一些泄漏。

使最佳压盖压紧问题变得复杂的另一个因素是,某些填料在使用状态下会产生膨胀,例如,当温度升高时,便有可能遇到这种情况,这样在压盖上加上很小一点预紧力,可能是必要的。另外,为了补偿填料的磨损和松弛以及为了保持一个满意的密封,有必要定期地重新压紧压盖。

采用普通的填密材料时,产生的径向压力与压紧压盖时所加的轴向压力之比约为0.6~0.7,沿整个填料函的典型径向压力,如图2所示。

图2

对许多应用来说,填料仍是主要选择,特别是对用到大型填料函和重载的场合,例如流程泵、供汽和重力水处理等,尤其如如此。填料密封还有这样一种优点,即它们除了能用于往复用途外,还能用于旋转场合。对于许多往复工作来说,特别是在大型、重载的应用场合,挠性密封组件或单个密封件是可以代替填料的,除非要求泄漏达到最小的情况下,可能机械轴封更适宜。然而,值得注意的是,随着机械密封件的广泛使用,并未显出有对压篮填料密封减少需要的迹象。

填料基本上是柔软(可变形的)断面,不过其柔软度是有很大差异的。填料几平总是含有有润滑剂的,并且在使用过程中,随着过度受压或过热,便会损失润滑剂,填料的体积随之小,径向压力下降,从面导致泄露。

在润滑有问题的地方,或填料函需要一定程度冷却的地方,可以向填料函中央供入附加润滑剂/冷却剂,如图3所示。

图3

通过这种方法致冷的程度是有限的,而在温度较高时,为了保持填料函的工作温度不超出填料的使用温度极限,可能不得不对整个填料函体行工作冷却。

由于纤维需要高压收缩成由于缺少适当的润滑都会引起较大的摩擦和过热现外加积滑/等象,由此面会产生许多问题,这类问题可通过采用最近研制的以用聚四氟乙烯涂散的芳族酰酸纤维为基的填料来解决。

填料尺寸

压缩填料一般具有大致呈方形的断面(不过图形编织填料,可用在往复活塞杆和阀杆上;散状填料可用于密封阀和某些泵的填料函)。因此,大多数填料都制成6mm(1/46in)“见方”以上的标准断面尺寸。断面尺寸在很大程度上是随意定的但是作为一般准则,当轴径尺寸为12mm(1/2in)时,沟槽宽度约为轴(或杆)径的25%,当轴径约为150mm(6in)时,沟槽宽度减少到轴径尺寸的10%。

至于填料圈数以多少为最佳也并无一定之规,不过对于一般工作来说,采用4圈或5圈方圈是典型的，如图4、图5所示：

图4

图5 填料函结构

如图5a所示，处理有压力的清洁无磨粒流体的填料函结构是很简单的。具体的要求是在填料函口处要保证有适当导锥,以利于在装配时不损坏填料,同时还要求填料函表面有相当好的表面光洁度。一般认为2.5um(64uin)Ra即满足大多数使用要求。

在被密封介质中含有磨粒的应用场合,希望尽量不要使磨粒进入填料密封区。这可通过经填料函中央的孔环引入适当的冲洗液,如图5b所示。应该指出,在这种情况下所控制的泄漏是冲洗液的漏液、由于经向压力的分布,冲洗液还会回泄到介质中去。在不可能利用适当的液体进行冲洗的地方,采用润滑脂冲洗是个办法,如图5c所示。在此种情况下,润滑脂必需洁净,同时能与介质相容。

图6

图6示出了另外两种填料函结构。在图6a中,被处理介质的压力低于大气压力,因此需要一种液体屏障来防止空气通过填料函进入介质。这种液体屏障从介质出口引来经孔环送入填料函。在这种情况下所控制的泄漏是介质的泄漏。

图6b中被处理介质是有毒的或危险的,所以也采用一种冲洗式填料函来供给主要的屏障。这靠在填料压盖上的一个遏止通路(冲洗环路)来支援,同时靠一个辅助填料题来杜绝泄漏。

传统材料

以润滑纤维绳为基础的传统形式的填料仍是很常见的,并且一直被广泛使用。这种填料所采用的材料范围相当广(参见表1A,其中仅列出了部分材料),同时又因为引入合成维绳来改进某些性能,进一步扩大了这一范围,不过,实践证明,人造丝和尼龙的优点是有限的。

植物纤维一般适用于工作温度不大于90℃,摩擦速度适中(不高于8m/s)的油水和非腐蚀性的化学介质。棉花和亚麻是使用最广的纤维,大麻次之。苎麻、黄麻和剑麻基本上消失了。

石棉绳对温度较高的使用条件(达320"C)和较高的摩擦速度来说是传统的选用材料。当然,石棉对人体健康有害的问题确是一个令人关心的课题,而且青石棉实际上已停止使用了。不过青石棉有较好的抗腐蚀性能。对白石棉(水合硅酸镁石棉)很少有人提出异议,白石棉已成为目前用于石棉类填料的最重耍绳材,特别是用作纤维材料,在制造填料过程中,通过浸渍处理被牢固地粘合起来,不会散放出石棉粉尘,石棉粉尘是被引证的危害健康的主要根源。

传统润滑剂

除了实际上需要干式填料的特殊使用场合外,纤维绳填料中总是摻有润滑剂的。石墨是一种常被加入填料断面中的润滑剂,用于许多在干燥条件下工作或与非润滑性流体接触使用场合中,能提供良好的自润滑作用。因此,石墨润滑剂特别适用于供应蒸汽、水,特别是含盐水的设备。然而,在某些情况下,有松散的石墨存在可能是有害的；或者当填料与不锈钢杆在一起相对运行时,由于电解作用,石墨可能要对钢材造成局部腐蚀。能够解决这一问题的另一种可供使用的润滑浸溃剂是云母。这些润滑剂,连同二硫化钼和聚四氟乙烯一起,迄今仍是标准的“干式”润滑剂。

像牛脂一类的传统“混式”润滑剂已为矿物油油、黄黄油、石蜡和肥皂所取代。硅酮润滑脂专门与石棉填料一起用于高温使用场合,不过目前认为是不适用于在与食品和饮水有接触的场合了。在这这类使用场合所采用的润滑剂通常用的润滑剂的百分比虽使用情况的不同而变化。因此，准备用于高速运动，特别是高速旋转运动场合的填料一般应较为柔软的,以便长时间地保持柔性和能够含有较大百分比的润滑剂。仅在静态使用条件下工作的填料,一般完全不必加入润滑剂。用于往复运动场合的填料，可以用耐磨金属丝来增强，而不是加入润滑剂，也许有石墨外包皮。其他品种的填料可能既利用耐磨的软金属丝增强，同时也浸涂润滑剂。耐磨软金属丝的数量应该既能保证轴的连续润滑，又能帮助从工作表面导热。

绳填料与编织填料

编绳填料是由按传统的或经改进的编绳方式编结成的多股线绳构成的,每股绳之形成一个保持润滑剂的空隙。绳层可根据具体的工作条件搭配,例如用于旋转密封件时，按照轴的旋转方式编结，以使个别纤维的磨损不致严重影响填料断面的整体性能。

编结填料可以按两种不同的方法构成。连续的编织填料是由按管状编织在一起的单股纱构成的,以相似的方式一层压一层地制成所需要的断面。另一种是斜纹编织方式（作为一种变形还有网格编织方式),两种方式都可制成较致密的填料,这种填料表面密度较高；但保持润滑剂的空较小,因此在填料不发生剥裂情况下,比编绳纤维(像一种编填料)具有更好的不遗性能。

图7

输织断面可以编成方形成圆形的。在后一种情况下,通常是在编织并浸润滑剂以后,使其简单地通过一个提轮拉模而制成方形断面的。在实践当中,制造商发展了各自特殊形式的编绳或编织型填料结构,例如交又型编绳填料( Crossley)或超级编绳填填料( Latty International)，旨在克服普通的或“典型”的编织填料的缺点。图7表明了精心研制的两种断面的例子,具有耐用、均匀和不滲透的优点,同时还具有良好的柔性。

现代石墨化石棉填料

石墨化石棉填料的出现归因于在生产一种石墨和石棉的直接接混合物,而不是在制造表面涂层过程中的一些最新研究工作,这种填料具有优良的润滑,较冷的运行,较低的摩擦,良好的高温性能。

聚四氯乙烯填料

具有极好的抗化学侵蚀能力的聚四氟乙烯,作为一种低摩擦材料的杰出性质,使其成为一种用来制作填料的有吸引力的选择材料。这种材料特性的不利一面是强度低，热传导性不良以及随温度的升高而有收缩的倾向(即具有负的热膨胀系数)。当这种材料与作为润滑剂的绳填料(通常是石棉绳)结合使用时,其热收缩特性使材料的最大摩擦速度限制在大约8~10m/s,最高使用温度限制在大约250~290C

不过,热传导性可以通过入石墨来改善,利用挤压方法制成的聚四氟乙烯/石墨填料属于最吸引人,最有用的现代填料类型之列,比普通绳填料具有更好的性能,特别是在寿命和减少轴或杆的损方面尤为如此。

阀门的朝向和所处位置也是影响密封性能的重要因素。

和垂直安装相比，横向安装阀门容易产生过大的侧向载荷。有些阀门安装在不停振动着的管线或平台上，如果给阀杆提供辅助支撑，对保

持其密封性能是有利的。有些阀门靠近高温设备，热辐射对密封性能有负面影响。

阀门内的工艺流体也是要关注的对象。

化学兼容性很重要；磨蚀性流体中的微粒可能导致密封元件性能下降。通常处于底部的密封元件，密封效果会比上层的差些，因为压盖施加的载荷只有一部分能传递到底部。在此情况下，介质内的微粒会进入密封元件，使其性能下降。含有悬浮颗粒的流体，会在盘根靠近外界空气的一侧蒸发和结晶，导致执行机构出问题。当流体被密封元件密封隔离，两侧会发生压力降，流体可能发生相变。相变时的膨胀非常剧烈，密封元件必须足够坚固才能承受相变产生的作用力。以低硬度O型圈为例，较容易在此类流体中损坏，尤其是小分子流体。

流体温度是必须考虑的要素。

如果低于550℉，可以采用聚四氟乙烯(PTFE)和Aramide芳纶纤维等高分子聚合物。O型圈常用于400℉以下的非苛刻工况。550℉以上的高温流体常用碳石墨盘根。在较低温度中，碳石墨盘根需要更大的密封应力，导致阀杆摩擦力更大。和其它材质相比，能承受的循环载荷较低。

在850℉以上的极高温度中，碳石墨盘根以及用于增强材质密封性能的有效成分，会在氧化气氛中劣变。对策是利用延长阀盖拉开填料函与阀体的距离，减小高温介质对盘根的影响。低导热率零件也能降低密封元件的温度，例如在填料函和密封元件之间安装陶瓷垫圈。

低温和深冷工况中，由于材质会变脆，强度降低，适用的密封材质有限。如果介质是液氨，通常要求BAM型式认证，即密封元件的清洁度必须符合标准。

压力越高无疑越难密封。由伯努利方程可知，流率的变量与压力变量的平方成正比。这就很容易理解，1500磅级阀门的密封难度远高于150磅级的阀门。在高压应用场合，尤其需要确保载荷、密封元件设计能和密封性能要求相匹配。

有些阀门在开关时，整栋楼甚至都会一起振动，有些阀门每年运行一百多万次，有些却难得运行一回。阀门的操作次数当然需要关注，而行程的长短也很重要。控制阀的行程通常很短，大型电动阀门行程可能较长，操作较频繁。和处于温度变化环境中的阀门相比，稳态温度环境中的阀门较容易密封。这其中当然有工艺介质的原因，但过冷或过热的环境显然会增加密封难度。

所有关注点中最重要的无疑是对密封性能的要求。许多行业，尤其是水处理行业，可以允许一定程度的可视泄漏。泄漏物质中携带有固态微粒，一旦堆积后可以堵住泄漏点。这样的状况是可以接受的，因此微量泄漏没有很大危害。在其它一些行业，可视泄漏就是个大问题。但对于不可视泄漏，一般仅限于按照工厂常规方法进行检测。对于密封元件的逸散泄漏要求就高得多，而且通常都会频繁进行测试和/或监测。其泄漏一般是非可视状态，计量单位是百万分之(PPM)，而且标准越来越苛刻了。有些流体的危害性极大，例如致癌物质，有些甚至仅微量就会致命。对此需要采取额外预防措施、后备系统、双密封系统，并在两道系统间设置漏失孔以便监测。波纹管密封阀门具有后备密封系统，可以用于此类危险流体。

希望上述内容有助于厘清特定阀门和工况所对应的各种变量，以便选择最适用的密封技术。历史经验无疑有宝贵参考价值，但如果需要更长的使用寿命、更高的可靠性或密封性能，那么全面考量上述各项因素将有助于甄别权衡的重点。相信掌握的信息越全面，越有助于选择最合适的密封方案。