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阀门的密封原理

来源: 上海阀门 时间: 2012-04-08 点击: 4,267

阀门启闭件的密封面与阀座的密封面紧密地结合在一起,并形成使管道内的介质不能通过的密封状态时,闭路阀才能保证管道的进口与出口隔断。

闭路阀内最常采用的是由刚性金属密封面所组成的平面密封结构,这种结构属于定期密封式的活动连接结构。现以平面密封为例,研究密封面连接的密封性问题。

如果容器1,如图1所示,充满带有一定压力的液体和气体,用盖板2封住,于是,容器内有介质静压力作用,其值为

FJ=A·p

式中FJ–介质静压力(N);

A–介质作用在盖上的面积(mm2);

p–容器内介质静压力(MPa)。

密封连接原理图

试想,为了使盖板2保持图示位置,必须在与容器和盖板接触面的垂直方向施加外力F=FJ,这样也仅能保证端面贴合。只有当密封面为理想平面时,介质才不致从两结合面间穿过。实际上加工表面总有一定的表面粗糙度,即与理想平面总有一些偏差,且各种精密加工方法只是减少而不能全部消除这些偏差。此外,在操作过程中也会产生偏差,如在压力作用下的弹性变形等。

为了保证接触面的密封性,必须在密封面间产生相互作用力,也就是用力使盖板压紧在容器上。当作用力F>FJ时,在结合的密封面上会产生一定的比压,依靠比压使平面上已有的平面度产生变形。如果变形是在材料的弹性极限范围内,并产生不大的残余变形时,那么接触面每当施加力F时,便可以保证其密封性。如果密封表面粗糙,平面度偏差大,则保证密封所施加的作用力就大,密封面上产生的残余变形也大。

根据只有当密封表面间的间隙小于介质分子直径时,才能保证介质不渗漏的观点,可以认为,防止介质渗漏的间隙值必须小至0.003μm。但是,即使经过精密研磨的金属表面的凸峰高度仍然会超过O.1μm,即比水分子直径要大30倍。由此可见,上述解决密封的方法是行不通的。连接平面的密封性是在大量复杂的物理现象相互作用下保证的,而其中许多现象还研究得很肤浅。

目前关于密封连接的基本认识是:绝对密封实际上是很困难的,经过一定时间总会有若干介质渗漏或蒸发。但是,密封连接良好时,渗漏介质的数量极少,可以忽略不计。

通过由两个接触的金属面形成的密封,所渗漏的介质数量取决于:

①密封面的表面质量:密封表面的微观几何形状、平面度及与理想表面的偏差程度;

②密封面的宽度;

③密封面内外的压力差大小;

④密封面的材料及其处理状态;

⑤工作介质的性质;

⑥密封面的亲水性或憎水性;

⑦密封面间有无密封油脂;

⑧闭路阀的结构;

⑨密封面上的比压值。

两密封面受压前后的状态

在密封连接结构工作的初始阶段,通过连接处的介质渗漏量是变化的。由于闭塞现象,通过问隙的渗漏量逐渐减少,在经过一段时间后,其数量趋于恒定。如果由于缝隙闭塞,间隙被极性分子的附着层填满时,在间隙不超过0.02mm时,介质逐渐停止渗漏。

为了分析通过密封面渗漏介质的数量与接触表面性质之间的关系,提出如图2所示的理论简图。

假设两个结合的密封面表面承受载荷前的放大图,如图7-2a所示;和承受载荷后的放大图,如图7-2b所示。从图中可以看出在后一种状态下,凸峰顶部被稍许压平,原有的间隙减小了,但表面间仍留有介质可以通过曲折的缝隙。

假设,所形成通道直径为d的毛细管,那么通过密封面连接处每毫米长的介质流量为

式中qv–体积流量(mm3/s);

n–密封面周围每1mm直线长度上的毛细管数目;

d–毛细管的直径(mm);

ρ–介质的密度(mg/mm3 );

η–介质的动力粘度(Pa·s);

p1-p2–密封面两侧的压力差(MPa)。

如果取两表面之间所形成的间隙为平沟槽,则通过密封周边每毫米直线长度的介质流量为

式中h–密封面之间的间隙(mm);

ω–间隙充满程度系数。

毛细管现象的影响,可以按介质压力,通过增大或减少压力差的方法来调节,它取决于介质密封表面的亲水性或憎水性及间隙尺寸。

这些理论上的探索目前尚没有达到可以实际应用的地步,因为原始意图仅仅是从实际条件中抽取的一部分因素。事实上,在保证连接的密封性中,有大量因素起着作用。在这些因素当中,密封面之间比压值的大小具有重大意义。利用公式(1)、式(2)是不可能计算到比压值的影响。

上面说的是利用密封面间力的相互作用来保证连接的密封,绝大多数的连接都是根据这样的条件进行工作的。但是,柱塞密封不是采用一个表面压紧另一个表面来保证密封性的,而是靠极小的间隙来保证密封的。柱塞阀、填料箱等就属于这一类密封连接,分析这类密封的必要性还在于按图2所示利用通过微小间隙的粘性介质泄漏数据来评定连接的密封性。

根据现有概念,在压力作用下,在平窄问隙内的粘性介质的运动有以下性质:与金属表面接触的液体层粘附在金属表面上,并具有这些表面的速度。各单层的速度与该层距金属表面的距离成正比地增加。因此,该液流具有由液体形成的平面的直线移动形式。同时,按其与金属表面的距离有各种不同的速度。

当密封连接较长、间隙较小及液体粘度较大时,液体就不容易渗漏。反之就容易渗漏。因此,理论简图和公式暂时还不可能给出设计人员可以利用的计算数据,所以在阀门制造业中还要用实验的方法来研究影响流体连接密封性的各种因素,也就是研究通过密封面的泄漏量。

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