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(wú)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(chēng)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(shí)，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(jìn)一步推向球體，在三角形密封圈進(jìn)一步產(chǎn)生壓縮；圖3-35 （d）中，根據三角形密封圈彈性體自身變形能密封原理，介質(zhì)壓力進(jìn)入三角形密封圈的內側壓迫彈性體產(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(dòng)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(guān)變形，達到密封效果。 這個(gè)力所產(chǎn)生的接觸應力，稱(chēng)之為比壓g，必須大于密封的必需比壓％，這一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，高分子材料不是一個(gè)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(gè)力不需要很大，而真正密封的力是介質(zhì)進(jìn)入到彈性體凹槽的一側，壓迫彈性體發(fā)生彈性變形，像一個(gè)彈簧被壓縮一樣，彈性體通過(guò)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(chēng)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(xiàn)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(lái)一個(gè)問(wèn)題，就是如何滿(mǎn)足ASMEB16.34關(guān)于腔體壓力泄放的規定。在A(yíng)PI 6D標準中有相應的規定，就是另外設置一個(gè)壓力泄放裝置，當腔體壓力超過(guò)額定壓力1.33倍時(shí)，泄放裝置應自動(dòng)打開(kāi)。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，而且當環(huán)境溫度或者使用工況的溫度發(fā)生變化時(shí)，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(shí)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(shí)候，需方要求閥門(mén)具有“雙活塞效應”， 即進(jìn)口和出口閥座同時(shí)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(jìn)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(shí)，介質(zhì)向進(jìn)口端排放。這樣，就整個(gè)閥門(mén)而言，閥門(mén)是有流動(dòng)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A(yíng)PI 6D中，稱(chēng)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(chēng)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(gè)問(wèn)題是閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中流體通道喉部截面處的負壓效應。無(wú)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(mén)的開(kāi)啟瞬間，在高壓力差的情況下，都會(huì )發(fā)生負

壓效應，而積聚在密封環(huán)槽內的高壓介質(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(kāi)啟瞬間，閥門(mén)的流通截面很像一個(gè)拉伐爾噴管的通道，在zui小截面處（喉部），可能出現了聲速流動(dòng)，根據伯努利方程能量守恒原理，壓力能變?yōu)閯?dòng)能，在喉部速度增加，壓力降低，形成一個(gè)負壓區。 這種情況對于氣體尤其危險，如出現聲速流動(dòng)時(shí)，負壓區的壓降可能達到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(guò)盈配合嵌人槽內。另一種方法是在密封環(huán)凹槽內，設置一組泄壓的孔將凹槽內介質(zhì)壓力泄放至出口低壓側。這組小孔設置在閥門(mén)的水平位置，在15° 角的區域內。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(xiàn)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(mén)Classl50?600壓力級；

②DELON適用于閥門(mén)Classl50?2500壓力級；

③P. CTFE適用于閥門(mén)Classl50?1500壓力級；

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

⑤PEEK適用于閥門(mén)Classl50?2500壓力級；

© VESPEL （polyimide）適用于閥門(mén) 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，其適用范圍的閥門(mén)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。    

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