閥門密封知識大全!密封原理及多種影響因素

1、閥門密封知識大全！密封原理及多種影響因素閥門密封性原理密封就是防止泄漏，那么閥門密封性原理也是從防止泄漏研究的。閥門的種類 繁多，但是基本的作用卻是一致的，那就是連通或者截斷介質流。因此，閥門 的密封問題就顯得十分突出。要保證閥門能夠良好的截斷介質流，不發(fā)生泄漏，就要保證閥門的密封完好。而造成閥門泄漏的原因很多，包括結構設計上的不合理、密封接觸面有缺陷、 緊固零件發(fā)生松動、閥體與閥蓋間的配合不緊密等等，所有這些問題都可能導 致閥門密封不好，從而產生泄漏問題。所以，閥門密封技術是關系到閥門性能 和質量的一項重要技術，需要進行系統(tǒng)深入的研究。閥門從產生到現在，其密封技術也經歷了很大的發(fā)展。到目前為

2、止，閥門密封 技術主要體現在兩大方面，即靜密封和動密封。所謂靜密封，通常是指兩個靜止面之間的密封，靜密封的密封方法主要是使用 墊圈。所謂動密封，主要是指閥桿的密封， 即不讓閥內的介質隨閥桿運動而發(fā)生泄漏, 動密封的密封方法主要是使用填料函。閥門類型對密封解決方案的選擇有很大影響開桿閘閥的開-關行程通常較長。如果操作較為頻繁，此類長行程線 性運動會給密封帶來難度。多數情況下，此類閥門的操作頻度不會超 過每星期一次，甚至每年只操作一次。盤根壓蓋、閥桿和填料函之間 的間隙非常重要。如果縫隙較大，線性運動會導致部分密封元件被擠 入，或拖曳雜質微粒穿過密封元件。因此可在底部裝一個清潔環(huán)，有 些情況下頂部

3、也可安裝一個。截止閥較常采用升桿加旋轉運動模式，它的密封難度最大，因為閥桿 會同時在兩個方向上同時運動，盤根組會逐步接觸到整個閥桿的表 面。閥桿如有任何偏心或失圓，都可能導致盤根元件破損并泄漏。和 閘閥的情況相似，線性運動會拖曳雜質微粒穿過密封元件，然后進入 工藝流體。球閥、蝶閥和旋塞閥都是常見的直角回轉閥門。當閥桿相對于密封元 件轉動九十度，閥門即可完成從開到關的整個過程。這樣的運動模式 意味著最容易密封，因為它比其它類型閥門的行程小得多。與線性運 動模式不同，直角回轉運動不容易拖曳雜質微粒穿過密封元件。值得 關注的是閥桿偏心問題，有些密封元件對于執(zhí)行器對位不準極為敏 感，甚至會導致閥桿密封

4、性能降低。直角回轉閥的填料函有許多不同的設計，這往往會導致密封元件的選 擇范圍受限制。很多情況下填料函都很淺，高壓工況下很難實現緊密 密封?？刂崎y的閥桿密封難度通常是最大的，主要原因是操作頻繁，而且閥 桿密封應力不能太高。如果一臺控制閥經歷了 100,000 次閥桿循環(huán) 操作，那么系統(tǒng)中其它類型的閥門往往只經歷了 1500次。高頻度循 環(huán)操作會導致密封元件磨損，隨著時間推移會降低密封性能。為了優(yōu) 化流體控制性能，控制閥閥桿不能承受太大摩擦力，因此作用于控制 閥的密封應力，明顯低于手動閥門的密封應力。如果密封元件導致閥 桿受到過大摩擦力，閥門的動作會滯后或出現速度偏差，并導致閥桿 動作過大，流體

5、控制性能降低。線性控制閥的密封難度高于回轉控制閥。和直角回轉閥相似，回轉控 制閥的閥桿動作只有圓周運動一種模式，而且需要密封的閥桿表面積 明顯小于線性控制閥。冶金特種閥的閥桿材質通常相對較軟，選擇密封元件時需注意這點。理想的情況是密封元件材質比閥桿材質更軟，這樣可以最大限度降低 閥桿磨損。有些冶金特種閥的壓蓋螺栓屈服強度比較低，需要避免密 封元件的載荷接近能夠承受的最大應力。閥門尺寸同樣也是影響密封元件選擇的一大因素。就小尺寸閥門而言，閥桿與填料函內壁之間的環(huán)形截面較小。有些情 況下小不一定是好事，因為它會限制密封元件的選擇范圍。小型閥門 的環(huán)形截面通常僅有.125 ”，很難安裝材質堅固、設計

6、新穎的密封元 件。大尺寸閥門也不是說沒問題了。尺寸大可能導致施加在閥桿和盤根組 上的載荷過大。閥門振動時，產生的作用力對于標準密封元件可能太 大。大型閥門不同截面部位的溫差也較大，可能導致結構變形。對大多數類型的閥門而言，填料函尺寸最理想的比例是空腔高度大約是橫截面直徑的三至五倍。如果是密封要求不高的直角回轉閥，即使 填料函較淺也能有效密封。太深的填料函首先意味著密封組件容易固 結，導致密封應力損失，進而發(fā)生泄漏。其次就是對閥桿的摩擦力較 高，在有些應用場合會成為阻礙。根據各種密封系統(tǒng)的具體情況，密封元件和閥體表面處理工藝必須合 理匹配。以O型圈為例，需要閥體表面相對光滑，而其它密封元件 可能

7、需要比較粗糙的表面才能更好地密封。許多情況下，全新閥門的 閥桿表面太光滑，導致摩擦力過大，并和密封元件產生黏-滑效應。低摩擦力的密封元件，例如聚四氟乙烯基（PTFE）密封件可以避免這些 不良現象。碳/石墨基密封元件遇到太光滑的表面就可能出問題。此 外，填料函空腔的表面處理也應該和密封元件相匹配。閥門填料閥門密封的關鍵因素壓縮填料填料是一種傳統(tǒng)的壓蓋密封，可以采用多種材料制造。用填料裝填填料時，填料在結構上可以為散狀的（通?；旌嫌袧櫥瑒?；制成一定斷面（一般為矩形，但有 時也用圓形截面）；切成適當長度繞成螺旋狀的或者作為切制圖，裝在壓蓋上的成型件。無論采用哪種結構，都是靠壓緊壓蓋，迫使填料緊壓在

8、密封表面上而取得密封作用的。填料壓蓋的工作原理，如圖1所示圖1由于壓緊壓蓋所形成的壓緊力產生一種造成密封效果的徑向壓力。徑向壓力沿整個填料長度按指數曲線分布。為了保持填料的“干”狀態(tài)，內側圈上的徑向壓力至少要等于系統(tǒng)的內壓力 ，這就意味著外側圈上的徑向壓力高得多，在大多數用途中是過高的（導致過大的摩擦，軸磨損和氣動密封件失效 ）。因此，在大多數使用 中，要將壓緊力調整到允許最末一個圈填料稍有一點泄漏，也就是說這個環(huán)上的徑向壓力稍微低于系統(tǒng)的內壓力。然而，這樣一來，如果將壓蓋調整到不產生泄漏的最小壓縮程度時，則大多數填料圈上就將出現一些泄漏。使最隹壓蓋壓緊問題變得復雜的另一個因素是，某些填料在使

9、用狀態(tài)下會產生膨脹，例如，當溫度升高時，便有可能遇到這種情況，這樣在壓蓋上加上很小一點預緊力，可能是必要的。另外，為了補償填料的磨損和松弛以及為了保持一個滿意的密封，有必要定期地重新壓緊壓蓋。采用普通的填密材料時，產生的徑向壓力與壓緊壓蓋時所加的軸向壓力之比約為0.60.7,沿整個填料函的典型徑向壓力，如圖2所示 TOC o 1-5 h z 對許多應用來說，填料仍是主要選擇，特別是對用到大型填料函和重載的場合，例如流程泵、供汽和重力水處理等，尤其如如此。填料密封還有這樣一種優(yōu)點，即它們除了能用于往復用途外，還能用于旋轉場合。對于許多往復工作來說，特別是在大型、重載的應用場合，撓性密封組件或單個

10、密封件是可以代替填料的，除非要求泄漏達到最小的情況下，可能機械軸封更適宜。然而，值得注意的是，隨著機械密封件的廣泛使用，并未顯出有對壓籃填料密封減少需要的跡象。填料基本上是柔軟（可變形的）斷面，不過其柔軟度是有很大差異的。填料幾乎總是含有有潤滑劑的，并且在使用過程中，隨著過度受壓或過熱 ，便會損失潤滑劑 填料的體積隨之小，徑向壓力下降，從面導致泄露。在潤滑有問題的地方，或填料函需要一定程度冷卻的地方，可以向填料函中央供入附加潤滑劑/冷卻劑，如圖3所示。外溯湖新/松卻劑九環(huán)分配口圖3通過這種方法致冷的程度是有限的，而在溫度較高時，為了保持填料函的工作溫度不超出填料的使用溫度極限，可能不得不對整個

11、填料函體行工作冷卻。由于纖維需要高壓收縮成由于缺少適當的潤滑都會引起較大的摩擦和過熱現外加積滑/等象，由此面會產生許多問題，這類問題可通過采用最近研制的以用聚四氟乙烯涂散的芳族酰酸纖維為基的填料來解決。填料尺寸壓縮填料一般具有大致呈方形的斷面(不過圖形編織填料，可用在往復活塞桿和閥桿上；散狀填料可用于密封閥和某些泵的填料函)。因此，大多數填料都制成6mm(1/46in)“見方”以上的標準斷面尺寸。斷面尺寸在很大程度上是隨意定的但是作為一般準則，當軸徑尺寸為 12mm(1/2in) 時，溝槽寬度約為軸(或桿)徑的25%,當軸徑約為150mm(6in) 時,溝槽寬度減少到軸徑尺寸的10%。至于填料

12、圈數以多少為最隹也并無一定之規(guī)，不過對于一般工作來說，采用4圈或5圈方圈是典型的，如圖 4、圖5所示：入：五F米 ttt大注入填料函結構如圖5a所示，處理有壓力的清潔無磨粒流體的填料函結構是很簡單的。具體的要求是在填料函口處要保證有適當導錐，以利于在裝配時不損壞填料，同時還要求填料函表面有相當好的表面光潔度。一般認為2.5um(64uin)Ra 即滿足大多數使用要求。在被密封介質中含有磨粒的應用場合，希望盡量不要使磨粒進入填料密封區(qū)。這可通過經填料函中央的孔環(huán)引入適當的沖洗液，如圖5b所示。應該指出，在這種情況下所控制的泄漏是沖洗液的漏液、由于經向壓力的分布，沖洗液還會回泄到介質中去。在不可能

13、利用適當的液體進行沖洗的地方，采用潤滑脂沖洗是個辦法，如圖5c所示。在此種情況下，潤滑脂必需潔凈，同時能與介質相容。非rm門的圖6示出了另外兩種填料函結構。在圖6a中，被處理介質的壓力低于大氣壓力因此需要一種液體屏障來防止空氣通過填料函進入介質。這種液體屏障從介質出口引來經孔環(huán)送入填料函。在這種情況下所控制的泄漏是介質的泄漏。圖6b中被處理介質是有毒的或危險的，所以也采用一種沖洗式填料函來供給主要的屏障。這靠在填料壓蓋上的一個遏止通路（沖洗環(huán)路）來支援，同時靠一個輔助填料題來杜絕泄漏。傳統(tǒng)材料以潤滑纖維繩為基礎的傳統(tǒng)形式的填料仍是很常見的，并且一直被廣泛使用。這種填料所采用的材料范圍相當廣 （

14、參見表1A,其中僅列出了部分材料 ，同時又 因為引入合成維繩來改進某些性能，進一步擴大了這一范圍 ，不過，實踐證明，人造絲和尼龍的優(yōu)點是有限的。植物纖維一般適用于工作溫度不大于90 C ,摩擦速度適中（不高于8m/s）的油水和非腐蝕性的化學介質。棉花和亞麻是使用最廣的纖維，大麻次之。芒麻、黃麻和劍麻基本上消失了。石棉繩對溫度較高的使用條件（達320C）和較高的摩擦速度來說是傳統(tǒng)的選用材料。當然，石棉對人體健康有害的問題確是一個令人關心的課題，而且青石棉實際上已停止使用了。不過青石棉有較好的抗腐蝕性能。對白石棉（水合硅酸鎂石棉）很少有人提出異議 ，白石棉已成為目前用于石棉類填料的最重耍繩材，特別

15、是用作纖維材料，在制造填料過程中，通過浸漬處理被牢固地粘合起來，不會散放出石棉粉塵，石棉粉塵是被引證的危害健康的主要根源。傳統(tǒng)潤滑劑除了實際上需要干式填料的特殊使用場合外，纖維繩填料中總是攙有潤滑劑的。石墨是一種常被加入填料斷面中的潤滑劑，用于許多在干燥條件下工作或與非潤滑性流體接觸使用場合中，能提供良好的自潤滑作用。因此，石墨潤滑劑特別適用于供應蒸汽、水，特別是含鹽水的設備。然而，在某些情況下，有松散的石墨存在可能是有害的；或者當填料與不銹鋼桿在一起相對運行時，由于電解作用石墨可能要對鋼材造成局部腐蝕。能夠解決這一問題的另一種可供使用的潤滑浸潰劑是云母。這些潤滑劑，連同二硫化鋁和聚四氟乙烯一

16、起，迄今仍是標準的“干式”潤滑劑。像牛脂一類的傳統(tǒng)“混式”潤滑劑已為礦物油油、黃黃油、石蠟和肥皂所取代。硅酮潤滑脂專門與石棉填料一起用于高溫使用場合，不過目前認為是不適用于在與食品和飲水有接觸的場合了。在這這類使用場合所采用的潤滑劑通常用的潤滑劑的百分比雖使用情況的不同而變化。因此，準備用于高速運動，特別是高速旋轉運動場合的填料一般應較為柔軟的，以便長時間地保持柔性和能夠含有較大百分比的潤滑劑。僅在靜態(tài)使用條件下工作的填料，一般完全不必加入潤滑劑。用于往復運動場合的填料，可以用耐磨金屬絲來增強，而不是加入潤 滑劑，也許有石墨外包皮。其他品種的填料可能既利用耐磨的軟金屬絲增強， 同時也浸涂潤滑劑

17、。耐磨軟金屬絲的數量應該既能保證軸的連續(xù)潤滑，又能幫 助從工作表面導熱。繩填料與編織填料編繩填料是由按傳統(tǒng)的或經改進的編繩方式編結成的多股線繩構成的，每股繩之形成一個保持潤滑劑的空隙。繩層可根據具體的工作條件搭配，例如用于旋轉密封件時，按照軸的旋轉方式編結，以使個別纖維的磨損不致嚴重影響填料 斷面的整體性能。編結填料可以按兩種不同的方法構成。連續(xù)的編織填料是由按管狀編織在一起的單股紗構成的，以相似的方式一層壓一層地制成所需要的斷面。另一種是斜紋編織方式（作為一種變形還有網格編織方式）,兩種方式都可制成較致密的填料，這種填料表面密度較高；但保持潤滑劑的空較小，因此在填料不發(fā)生剝裂情況下，比編繩纖

18、維（像一種編填料）具有更好的不遺性能。圖7輸織斷面可以編成方形成圓形的。在后一種情況下，通常是在編織并浸潤滑劑以后，使其簡單地通過一個提輪拉模而制成方形斷面的。在實踐當中，制造商發(fā)展了各自特殊形式的編繩或編織型填料結構，例如交又型編繩填料（Crossley）或超級編繩填填料（Latty International） ,旨在克服普通的或“典型”的編織填 料的缺點。圖 7表明了精心研制的兩種斷面的例子，具有耐用、均勻和不滲透的優(yōu)點，同時還具有良好的柔性?，F代石墨化石棉填料石墨化石棉填料的出現歸因于在生產一種石墨和石棉的直接接混合物，而不是在制造表面涂層過程中的一些最新研究工作，這種填料具有優(yōu)良的潤

19、滑，較冷的運行，較低的摩擦，良好的高溫性能。聚四氯乙烯填料具有極好的抗化學侵蝕能力的聚四氟乙烯，作為一種低摩擦材料的杰出性質，使其成為一種用來制作填料的有吸引力的選擇材料。這種材料特性的不利一面是強度低，熱傳導性不良以及隨溫度的升高而有收縮的傾向（即具有負的熱膨脹系數）。當這種材料與作為潤滑劑的繩填料（通常是石棉繩）結合使用時，其熱收縮特性使材料的最大摩擦速度限制在大約810m/s,最高使用溫度限制在大約250290C不過，熱傳導性可以通過入石墨來改善，利用擠壓方法制成的聚四氟乙烯/石墨填料屬于最吸引人，最有用的現代填料類型之列，比普通繩填料具有更好的性能特別是在壽命和減少軸或桿的損方面尤為如

20、此。閥門的朝向和所處位置也是影響密封性能的重要因素。和垂直安裝相比，橫向安裝閥門容易產生過大的側向載荷。有些閥門 安裝在不停振動著的管線或平臺上，如果給閥桿提供輔助支撐，對保 持其密封性能是有利的。有些閥門靠近高溫設備，熱輻射對密封性能 有負面影響。閥門內的工藝流體也是要關注的對象?；瘜W兼容性很重要；磨蝕性流體中的微粒可能導致密封元件性能下 降。通常處于底部的密封元件，密封效果會比上層的差些，因為壓蓋 施加的載荷只有一部分能傳遞到底部。在此情況下，介質內的微粒會 進入密封元件，使其性能下降。含有懸浮顆粒的流體，會在盤根靠近 外界空氣的一側蒸發(fā)和結晶，導致執(zhí)行機構出問題。當流體被密封元 件密封隔

21、離，兩側會發(fā)生壓力降，流體可能發(fā)生相變。相變時的膨脹 非常劇烈，密封元件必須足夠堅固才能承受相變產生的作用力。以低 硬度O型圈為例，較容易在此類流體中損壞，尤其是小分子流體。流體溫度是必須考慮的要素。如果低于550 T ,可以采用聚四氟乙烯(PTFE)和Aramide 芳綸纖維等高分子聚合物。O型圈常用于400 F以下的非苛刻工況。550下以上的高溫流體常用碳石墨盤根。在較低溫度中，碳石墨盤根需要更大 的密封應力，導致閥桿摩擦力更大。和其它材質相比，能承受的循環(huán) 載荷較低。在850 F以上的極高溫度中，碳石墨盤根以及用于增強材質密封性能 的有效成分，會在氧化氣氛中劣變。對策是利用延長閥蓋拉開填料函 與閥體的距離，減小高溫介質對盤根的影響。低導熱率零件也能降低 密封元件的溫度，例如在填料函和密封元件之間安裝陶瓷墊圈。低溫和深冷工況中，由于材質會變脆，強度降低，適用的密封材質有 限。如果介質是液氨，通常要求BAM 型式認證，即密封元件的清潔 度必須符合標準。壓力越高無疑越難密封。由伯努利方程可知，流率的