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2024-09-04
作者:陈鉴 刘秀波
摘 要:介绍了唇形密封圈的工作原理、结构类型和安装方法,论述了应用唇形密封圈组成的自泄压阀座和双活塞效应阀座的功能。
1 概述
唇形密封圈(Lipseal)也称弹簧蓄能密封圈。因其优越的性能,像“塞子”一样广泛应用于各个领域,且实现密封功能,故也称为“泛塞圈”。泛塞圈的夹套由PTFE、RPTFE或其他高性能聚合物制成,内部弹簧可以选择不同的材料。因泛塞圈具有耐介质腐蚀和耐老化性能,在阀门行业中泛塞圈一般应用在橡胶O形圈不能使用的特殊工况,如低温、强腐蚀性介质等工况。
2 性能
适用温度:-270~340℃
适用压力:0~350MPa
适用尺寸:0.635~3000mm
适用介质:几乎所有介质
本文仅讨论泛塞圈作为密封件在固定球球阀阀座部位的应用。
3 密封原理
泛塞圈在工作状态时,密封唇和金属弹簧处于压缩状态。夹套内部的弹簧提供了一个初始预紧力,使得低压工况有很好的密封效果。除了弹簧载荷以外,介质压力会在密封唇上施加额外的载荷。理论上讲,介质压力越高,密封效果越好(图1)。
图1 密封原理
4 结构特点
4.1 弹簧
泛塞圈内部的弹簧主要有圆形、V形和椭圆形3种(图2),其材料可由AISI301、Elgiloy、Inconel718、HastelloyC276等合金钢制成。3种弹簧的载荷与压缩率相差较大(图3)。
图2 弹簧类型
图3 泛塞圈弹簧载荷与压缩率的关系
圆形弹簧也称螺旋弹簧,用扁平钢条旋绕而成,能提供比其他弹簧更大的载荷,但变形范围较小。因此,圆形弹簧适合用于气体介质和低温介质。
V形弹簧的工作原理类似“悬臂梁”,使得弹簧提供的载荷集中在密封唇的前缘,这种弹簧具有中等负载和变形范围,应用较广泛。另外,当有反向介质压力时,弹簧的开口处被介质压力压缩,会产生“泄压”功能。
椭圆形弹簧由圆形钢丝旋绕成倾斜线圈而成,在很宽的变形范围内能提供相对恒定的载荷,使得密封件不会过度变形而损坏。因此,椭圆形弹簧可以应用于封闭式沟槽设计。
4.2 支撑环
当有反向介质压力时,为了保护夹套密封唇不被损坏,需要在弹簧尾部设计支撑环。支撑环有矩形、L形和T形等结构(图4)。
图4 支撑环类型
矩形支撑环的截面类似矩形,其仅与V形弹簧配合使用,较为经济的做法是用金属钢带卷焊而成。缺点是装配时没有定位,容易产生偏心,为了防止装配时脱落和偏心,矩形支撑环与V形弹簧接触的部位需要点焊固定,但这又容易对弹簧载荷产生影响。另外,在往复行程较大的场合下不宜使用,如上装式固定球球阀阀座部位。
L形和T形支撑环由金属或工程塑料加工而成,弥补了矩形支撑环的缺点,可以在往复行程较大的场合下使用,但制造成本较高。
4.3 挡圈
高压和/或高温介质工况,金属零件之间的咬合间隙非常重要。咬合间隙是配合零件之间的单侧间隙,在高压和/或高温介质工况下,过大的间隙可能促使泛塞圈夹套被挤压进咬合间隙,从而造成密封失效。
增加泛塞圈根部的厚度可以改善咬合,更为有效的方式是使用挡圈弥补咬合间隙。挡圈应比夹套材料更加坚硬,通常使用高填充的RPTFE或PEEK(图5)。
图5 挡圈
5 装配
安装泛塞圈的沟槽结构要有利于其装配和拆卸,以避免夹套密封唇的损坏。泛塞圈初始装入阀体时,阀体与泛塞圈接触的部位应设计成光滑的安装倒角和圆角,此时的泛塞圈处于自由状态,具有一定的变形范围,在紧凑型设计的情况下,阀体该部位也可以 只设计装配圆角。在阀座与泛塞圈接触的部位必须设计足够大的装配倒角和圆角(图6)。
图6 泛塞圈的装配过程
6 应用
6.1 自泄压阀座
API6D规定,固定球球阀的阀腔压力不得超过两端管线压力的33%(表1),利用自泄压阀座可以实现这一功能。对于压力等级越低的阀门,实现自泄压的难度越大。
表1 阀腔的最大允许超压值 MPa
注:38℃下阀门主体材质为A105。
普通的泛塞圈自泄压阀座密封沟槽是开放式设计。密封时由于阀座右侧受压面积大于左侧,因此靠介质压力产生活塞效应,将阀座推向球体实现密封(图7(a))。
图7 普通泛塞圈自泄压阀座的密封与泄压
当阀腔超压时,由于泛塞圈的左侧压力大于右侧压力,因此将泛塞圈推至阀体。此时阀座右侧的受压面积仍然大于左侧的受压面积,阀座仍将靠紧球体密封(图7(b))。自泄压功能必须通过泛塞圈泄压才能够实现(图7(c))。自泄压结构的阀座其泛塞圈必须选择V形弹簧,因为圆形和椭圆形弹簧受压后只会将阀体与阀座越撑越紧,直到被阀腔的压力压坏为止。
V形弹簧的泛塞圈既要保证密封,也要实现泄压,故其弹簧力的设计与控制显得尤为重要。经过多次试验,V形弹簧的泛塞圈若要实现可靠的密封,反向泄压值通常不能低于1.5MPa。因此,表1中压力等级为150磅级与300磅级的球阀不应使用V形弹簧泛塞圈的阀座。针对自泄压问题,给出了三种解决方案。
(1)增大面积差。通过增大泛塞圈与阀座的配合面尺寸实现阀座的自泄压(图8(a))。泛塞圈的内径值需要大于阀座与球体接触部位的尺寸。这样当阀腔超压时,即使泛塞圈不能泄压,阀座左侧的受压面积大于右侧,也能推动阀座远离球体。这个方案的缺点是阀门的开启扭矩显著增加。实际应用仅限于低压阀门。
(2)增加挡块。在阀座的尾部增加挡块,用螺钉将挡块与阀座连为一体(图8(b)),使泛塞圈与阀座可以整体移动。当阀腔超压时,虽然泛塞圈被来自阀腔的压力推离,但最终的作用力仍作用在阀座上,因此可以将泛塞圈与阀座作为一个整体进行受力分析。该方案的缺点是结构复杂,一些小口径的阀门没有设计空间,而且在阀体上必须设计足够大的泛塞圈安装倒角,防止损坏泛塞圈的密封唇口。
(3)封闭式沟槽。采用封闭式沟槽,结构简单,设计紧凑,适合一些小口径的阀门。另外,泛塞圈选用椭圆形弹簧,可以充分利用这种弹簧的特点,弹簧伸出泛塞圈尾部,以便受反向压力时保护密封唇口。缺点是拆卸不便,拆卸时容易损坏泛塞圈。
图8 泛塞圈自泄压阀座的解决方案
6.2 双活塞阀座
双活塞阀座要求用单个阀座即可截断来自两端的介质,因此不具备自泄压功能(图9),为了方便拆装,阀座与阀体均应设计足够大的安装倒向角。泛塞圈应用于双活塞阀座时通常是背靠背安装两组(图9)。当图9(a)的结构改用圆形弹簧泛塞圈时,要特别注意系统压力不能超过圆形弹簧的载荷,否则容易将圆形弹簧压溃。
图9 泛塞圈在双活塞阀座的应用
7 结语
近年来,固定球球阀发展迅速,其阀座的结构与形式也随使用要求出现了很多变化,正确、合理、灵活的使用泛塞圈,可以提高球阀性能,扩大球阀应用范围,减少生产损失。
来源:《阀门》
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