非金属阀瓣截止阀密封性能 金属阀瓣截止阀密封性能 截止阀密封性能 非金属阀瓣截止阀

之前介绍JIS日标不锈钢截止阀标准，现在介绍非金属阀瓣截止阀密封性能应用有限元分析软件建立平面型非金属阀瓣截止阀密封副的简化模型，对变操作工况下密封副的接触应力分布和变形情况进行分析。对比相同工况下不同结构阀瓣的接触应力分布和位移变化的差异，比较其性能，并采用试验进行验证。结果表明: 密封接触面上应力分布关于密封面中径呈对称分布，在接触面内外径处应力zui大，并从两端向密封面中径方向减小。阀瓣结构中，密封垫径向有约束的阀瓣较密封垫径向无约束的阀瓣密封性能好。

截止阀作为zui重要的截断类阀门之一，广泛应用于工业生产中。阀门在管路中起着调节介质流量和压力、改变介质流向及切断介质通路等重要作用，因此，认为阀门密封性能非常关键。截止阀的密封是通过对阀杆施加扭矩，阀杆在轴向方向上向阀瓣施加压力，使阀瓣密封面与阀座密封面紧密贴合，阻止介质沿密封面之间的缝隙泄漏。

影响阀门密封性能的因素主要包括工况条件、操作条件、密封副结构等几方面。陈国顺分析了影响阀门密封副密封性能的相关因素及影响规律，并针对这些影响因素提出了实现密封的解决办法。宋强和王秋侠等提出了一种阀瓣带有双导向环，阀瓣能够相对于阀杆转动的改进结构。赵忠奎提出了一种截止阀阀杆、阀瓣的改进结构，在阀瓣小端内孔底面上保留锥孔，这种结构使密封副密封载荷分布更为合理。赵俊芳对密封垫的嵌入形式进行了反复的改进，当介质流量较大流速较高时，密封垫不会出现脱落，在反复启闭时不会失效。袁菊霞和张海亮分析了超高压截止阀的密封机制，发现密封面宽度随轴向力的变化是非线性关系，并对超高压截止阀密封副材料的选用提出了建议。

本文采用有限元分析方法对两种不同截止阀密封副形式的模型进行了分析，比较其密封性能，并设计了实验，进行实验验证。截止阀阀瓣密封根据截止阀密封副的材料不同，截止阀可使用金属密封盒非金属密封。使用金属密封及非金属陶瓷密封时，不但需要密封比压高，而且需要四周均匀，以达到所需的密封性。根据以上要求，密封副的结构设计有很多种，其密封原理及密封力的计算也不尽不相同。

1.平面密封
品面密封的优点是阀瓣在装配时有一定的晃量，阀瓣可以自动找正并和阀座密封面吻合，因而对阀瓣的导向要求并不重要；阀瓣是在没有被旋转时落在阀座上的，密封副之间就不会产生摩擦，因此对密封面材料抗擦伤的要求也不严格。同时，哟与管道应力导致阀座的内孔圆度变形时，也不会影响密封性能。缺点是介质中的固体颗粒和沉淀物易损伤密封面，其密封面原理是当介质从阀瓣下方流入时，所施加的密封力必须等于或者大于密封面上所产生的所需比压和介质向上的作用力之和。
当介质从阀瓣上方流入时，所施加的密封力只需要等于或者大于密封面上索昌盛的必需比压和介质的作用力之差。
2.非金属阀瓣截止阀密封性能锥面密封
锥面密封是把密封面做成锥形，使接触面变窄，这种密封在一定的密封力作用下，其密封比压大大增加，更容易实现密封，与平面密封结构相比较，所施加的密封力较小。由于密封面狭窄，关闭时不易使阀瓣正确地压向阀座面，为了提高密封性能，必须对阀瓣进行导向。阀瓣在阀体中导向时，阀瓣受到流体的侧向推力由阀体承受，而不是由阀杆来承受，这就进一步增加了密封性能和填料密封的可靠性。锥形阀瓣用于大口径阀门时，因为管道应力的作用，使阀座孔的圆度产生一定的变形量，不容易实现密封。
另一方面，锥形密封是在两密封面有摩擦的情况下吻合，所以密封材料必须能耐擦伤。锥面密封和平面密封相比，受固体颗粒和介质沉淀物的损伤相对较小，但也不宜在含有固体颗粒和介质沉淀物的介质中使用。其密封原理是当介质从阀瓣下方流入时，所施加的密封力必须等于或略大于密封面上所产生的必需比压和介质向上的作用力之和。
当介质从阀瓣上方流入时，所施加的密封力等于或大于密封面上所产生的必需比压和介质的作用力之差。
为了改善锥形密封的强度而又不致牺牲其密封应力，把密封面锥半角做成15°，这就提供了较宽的密封面，使阀瓣能更容易地阀座吻合。为了达到较高的密封应力，阀座密封面开始与阀瓣接触部分较窄，约3mm，其余留有的锥度部分可稍长些。当密封负荷增大时，阀瓣滑入阀座的程度加深，因而增加了密封面宽度。这种密封面的设计不像窄密封面那样容易受到冲蚀损坏。此外，由于锥形面较长，使阀门的节流特性得到改善。

3.球面密封
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀把阀瓣做成球形，阀座做成锥形。阀瓣的球体在阀杆的孔内能自由转动。因此阀瓣能在阀座上做一定范围的转动而进行调整。由于两密封面的接触几乎成一线，即线密封，故密封应力很高，更容易实现密封。阀瓣球体还可以使用硬质合金或陶瓷材料，硬度可达到40-60HRC，而且能耐很高的温度，因此可以应用于高温截止阀。缺点是密封面线型接触容易受冲蚀而损坏，所以阀座应选择耐冲蚀材料。球面密封的截止阀可适用于介质中带有微小固体颗粒的气体或液体。其密封原理是当介质从阀瓣下方流入时，所施加的密封力必须等于或略大于密封面上所产生的必须比压和介质上的作用力之和。
当介质从阀瓣上方流入时，所施加的密封力必须等于或略大于密封面上所产生的必须比压和介质向下的作用力之差。

1、有限元分析模型建立及参数设定
在研究截止阀密封泄漏特性时，拟采用密封副基本形式相同而阀瓣结构不同的两种密封副结构，按照结构形式的不同，将阀瓣分为A、B 两种结构类型，如图1 所示，其中A 型为密封垫径向无约束的阀瓣，B 型为密封垫径向有约束的阀瓣。2 种阀瓣的金属和非金属部分材料均相同，分别为S30408 和Fs-46。采用有限元分析时对密封副做了一定的简化，简化后的密封副结构如图1 所示。截止阀密封副结构基本尺寸如表1 所示。截止阀密封副简化模型图1 截止阀密封副简化模型表1 密封副尺寸密封副尺寸

由于两种形式阀瓣密封副的几何形状和边界条件均具有轴对称性，故采用轴对称模型，取阀瓣密封面截面的1 /2 建立模型，阀瓣和阀座网格大小分别为0. 1 和0. 2，网格单元类型采用CAX8，在阀座与阀瓣之间设置接触模型，在阀瓣非金属密封面法向上依次施加1、4、7、10 MPa 的介质压力均布载荷，而在阀瓣金属部分法向上施加相应闭合力载荷，闭合力载荷如表2 所示。

表2 闭合力载荷闭合力载荷以A 型阀瓣为例，密封副有限元模型如图2 所示。密封副有限元模型图2 密封副有限元模型

2、结论
密封非金属密封垫在密封接触面以内和以外区域应力分布较为均匀，密封面上应力分布关于密封面中径呈对称分布，在接触面内外径处应力zui大，并从两端向密封面中径方向减小。与本文相关的产品有不锈钢波纹管密封安全阀