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密封形式-三偏心金属密封蝶阀结构特点及密封性能的研究(二)

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-15 点击: 2,836

3.阀门密封形式及原理

阀门作为管道中控制元件,不论依何种结构形式,在管道中所起的作用都是来控制和调节管道中介质而存在,因此对阀门的密封副有着特殊的要求。

3.1 密封形式

密封有非接触密封和接触密封之分。

密封面问预留固定的装配间隙,无需密封压力压紧密封面的各类密封统称非接触密封。

借密封力使密封副互相靠紧、接触并嵌入以减少或消除间隙的各类密封统称为接触密封。

针对阀门密封面,填料与阀杆、法兰密封均为接触密封。以密封面的性质状态可分为四种(见表1)。

表1 密封面的基本类型式
  原理图 特点




密封面将软质垫片或填料压紧,使之产生弹塑性变形,以填塞密封面上面的水平,消除间隙

密封面上接触带较窄,比压分布均匀

对加工精度要求不高,成本低廉,但乃拆性次数及寿使均较低
由于两个曲率不同的精密成型的表面相接触,构成了闭合的接触线般的圆,靠接触线上材料的微小弹性变形率来填塞密封面圆的水平之处。要求制造精度高
密封带极窄弹性变形量很小,补充能力小,耐多次装拆,造于高压、高温、重负荷密封。

精密研磨的平面,圆柱面或锥面靠外力压紧密接,不产生明显的弹性和塑性变形。密封间隙主要取决于研磨精度,以工件尺寸大小不同,密封间隙可从分子膜厚至5μm量级
阻流机理:微间隙密封与固体编码的吸附力和液体的表面张力有关;小间隙的为流体阻力效应
研合密封多用于高参数的动密封与静密封

密封间隙受两种因素互相制约共同调节密封的工作间隙
根据控制间隙的力的性质分静压式和动压式,此外还有外控制式(利用调节阀原理调节间隙)和热胀冷缩控制式等
密封间隙在0.5~10um范围以内。还用于高压、高速。尚可实现气体润滑

接触密封副相对运动,有动密封和静密封之分。一般来说接触密封比较严密,因受密封副摩擦磨损的限制,接触密封仅适用于密封面相对运动速度比较低的场合。接触密封文可分为弹性密封和非弹性密封两类。弹性体密封就是利用高分子弹性材料制成的,利用密封材料的弹性、塑性变形补偿、减少或消除间隙。密封可靠,结构简单,尺寸紧凑,价格低廉,但耐热的范围较窄,寿命相比较低,通常用作较低参数的密封。

非弹性密封的密封面是用金属、石墨等非弹性材料制成的,应用于微量弹性变形及磨损补偿机构,这种结构加工精度要求高,价格较高、耐热、耐寒等性能优良,寿命较长,通常多应用于高参数密封。

3.2 密封原理

密封的功能是阻止泄漏,造成泄漏的因素很多,但主要有两个,一是密封副之间存在着间隙;二是密封副的两侧存在着压差。前者是影响密封性能的主要因素。密封的基本原理是通过不同的途径阻止介质的泄漏。

对密封泄漏量的影响,首先可用毛细管原理进行解释。多项研究结果表明:密封副周边单位长度上的泄漏量与毛细管直径(φd)的四次方、液体的密度、密封副两侧间的压差的乘积成正比。与密封面的宽度成反比。泄漏量的大小与流体的性质有关。

根据密封副之间的间隙小于流体分子直径才能保证流体不泄漏的观点,可以认为,防止液体泄漏的间隙必须小于0.003μm,但是即使经过精细研磨,金属表面粗糙度超过O.1μm,还是比水分子直径大30倍。由此数据可见,降低密封面粗糙度的方法来提高密封性能是难以做到的,但加大管道密封比压,将密封面上微观高峰压平,使其产生塑性变形,使间隙小到流体难于通过才能保证密封。

3.2.1液体的密封性

液体的密封性决定于液体的物理性质。对其密封要由表面张力和液体的粘度来确定。

根据毛细管原理进行解释,但毛细管充满气体时,根据液体与管壁形成的切角度数,表面张力可能将液体引入毛细管内或对液体进行排斥,形成切角。因此相切度数就是测定被液体侵湿度的量值,它表明毛细管壁或液体分子的引力与液体本身分子间引力两者的强度关系。

当泄漏的毛细管注满介质时,毛细管压力变为零,除非由介质所带来的气泡注满水柱。雷诺通过大量的实验发现:用同一种流体在不同直径A管内进行试验,所得到的临界流速值是各不相同的;用不同的流体在同一直径的A管中进行试验,所得到的临界流速也是各不相同的。这就说明流体的流动状态不仅与流速有关系,还和流体的种类、管子的直径有关。而进一步的实验表明,无论流体的种类和管子的直径如何变化,流体的密度ρ和粘度μ、管子的直径d、流体的临界流速vc,这四个物理按组合成无量纲数Re而且约为2320。

Re称为临界雷诺数。Re在2320~4000是层流向紊流转变的过渡区。

在生产实践中,用减小毛细管泄漏的直径来达到密封。一是用提高密封副的平整度和减少表面所需的粗糙度来实现;二是加大密封压力,使密封副表面产生塑性变形阻止介质的通过。

3.2.2气体密封性

气体的密封性是由气体的粘性和气体分子大小决定的,如果毛细管直径较大,泄漏介质成紊流,毛细管直径减小,雷诺数降低到临界值以下,泄漏介质将变成层流。根据泊松公式,泄漏介质流态与气体的粘稠度和毛细管的长度成反比,与驱动力和毛细管的直径成正比,当毛细管直径降低到气体分子平均自由程度的相同数量级时,流态就失去其密集特性成散发,通过塑性变形使毛细管尺寸降低到气体分子以下,即使这样,气体的流动也不会停止,因为气体可以通过固体金属壁扩散。这也是我们所做阀门用水作为实验介质而不是用气体作为实验介质的原因,也进一步的说明了气体做密封试验要比液体严得多。

3.2.3阀门密封副

阀门密封副是指阀座与关闭件相互接触进行关闭的部分。由于密封副在关闭过程中受到磨损,密封性能随着使用而降低。在使用过程中,金属密封面易受夹入介质和磨损颗粒的影响,还受到冲刷、腐蚀和气蚀的损害。如果磨损颗粒比表面的不平整度大,在密封磨合时期表面精度就会变坏。想反,假如磨损颗粒比表面的不平整度小,在磨合时期,相对比较粗糙的表面就会改善。因此磨损颗粒的大小不仅取决于材料和工况,还取决于介质的润滑性和对密封面沾染腐蚀的介质情况。

密封件应当选用能抗腐蚀,耐冲刷和抗磨损的材料。如果不能满足其中的一个条件那么这种材料就不应当适合做密封面材料。

4.结论

综上所述,影响阀门密封性能的因素很多,也很复杂,主要体现在以下几个方面:

(1)介质的物理性质,主要包括温度、粘度、亲水性等。

(2)密封副的结构,由于密封副不是绝对刚性的,它在密封力作用下、工况环境影响下,结构尺寸必然会发生变化,从而改变密封副之间的相互作用力使密封性能降低。

(3)密封副材料,主要表现在密封副材料的选择和匹配。

(4)密封比压,比压是由阀前和阀后的压力差及外加力决定的。比压直接影响密封性、可靠性和使用寿命。

(5)密封措施,根据密封泄漏影响的因素和泄漏基本原理;密封副之间存在着间隙,密封副两侧存在着压差。

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