弹性变形能密封原理与密封座结构模块化

如果次级主密封采用弹性体橡胶，无论是圆形截面或三角形截面，它的密封原理已经发生了根本的变化，这一原理称为弹性体的弹性变形能自密封原理 （self-energying），如图3-35所示。

图3-35 （a）中，在弹簧预紧力作用下，当介质压力为零时，弹簧力将阀座推向球体；图3-35 （b）中，三角形橡胶圈承受了部分的压缩；图3-35（c） 中，在介质压力作用下，作用在密封座上的力，把阀座进一步推向球体，在三角形密封圈进一步产生压缩；图3-35 （d）中，根据三角形密封圈弹性体自身变形能密封原理，介质压力进入三角形密封圈的内侧压迫弹性体产生变形，弹性被压缩后要求恢复初始形状的力，作用在球面上，获得可靠的密封效果。

先考察如果用高分子材料，如PTFE作为次级主密封的密封环材料，那么在由于压差引起的介质力作用在阀座上，推动阀座与球体接触，高分子材料上的接触应力，使密封环发生宏观变形，达到密封效果。 这个力所产生的接触应力，称之为比压g，必须大于密封的必需比压％，这一个动态过程，高分子材料不是一个弹性体，在介质压力下发生局部的弹塑性变形。

如果用弹性体橡胶作为密封环的材料，密封的机理发生了变化，作用在阀座上的介质力只是把阀座推向球体，这个力不需要很大，而真正密封的力是介质进入到弹性体凹槽的一侧，压迫弹性体发生弹性变形，像一个弹簧被压缩一样，弹性体通过自身要求恢 复初始形状的力，作用在球体表面，这一密封原理称为self-energying，翻译为弹性体自身变形能密封原理。显然这一密封效果好得多，只要合理地选择凹槽与球面的间隙，其密封压力差zui高可达到320 bar。所以橡胶弹性体很快在管线球阀中获应用，取得很好的效果。在非耐蚀性的介质中取代高分子材料PT- FE。正是由于这一密封原理的变化，才有可能将阀座设计成具有双活塞效应的隔离型阀座。但带来一个问题，就是如何满足ASMEB16.34关于腔体压力泄放的规定。在API 6D标准中有相应的规定，就是另外设置一个压力泄放装置，当腔体压力超过额定压力1.33倍时，泄放装置应自动打开。发生这种情况的可能性只有液态介质被夹持在腔体内，而且当环境温度或者使用工况的温度发生变化时，有可能使被夹持在阀腔中的液态介质发生相变，而导致压力骤然升高时才有可能发生。因此，供方需要提醒，需方需确认，在合同中明确是否需要设置泄放装置。

有的时候，需方要求阀门具有“双活塞效应”， 即进口和出口阀座同时具有密封功能，而又不希望设置安全泄放装置，这样可以将进口端阀座设计成截断型阀座（单向截断），出口端设计成隔离型阀座（双向隔离），即腔体压力骤然升高时，介质向进口端排放。这样，就整个阀门而言，阀门是有流动方向的， 是单向的（indirection），不是双向的（bi-direction）

应予以注意，并在壳体上有介质流向的标志。这种功能在API 6D中，称为D&n双隔离与排放功能，即一只单向截断型阀座与一只双向隔离型阀座。而通常的双活塞效应称为D&I双隔离排放功能，即两只双向隔离型阀座。

这种软密封阀座的另一个问题是阀门开启过程中流体通道喉部截面处的负压效应。无论是Cameron 用PTFE或尼龙作密封环的组合密封结构，还是 Grove以用弹性体橡胶作密封环的组合密封结构，在阀门的开启瞬间，在高压力差的情况下，都会发生负

压效应，而积聚在密封环槽内的高压介质与通道介质产生压差，这一压差引起的力，足以使密封环从槽中吹出而损坏。

在开启瞬间，阀门的流通截面很像一个拉伐尔喷管的通道，在zui小截面处（喉部），可能出现了声速流动，根据伯努利方程能量守恒原理，压力能变为动能，在喉部速度增加，压力降低，形成一个负压区。 这种情况对于气体尤其危险，如出现声速流动时，负压区的压降可能达到0.77MPa，可能将密封环撕裂。

为了防止这一情况的发生，结构上采用两种方法，一是有效的固定，如金属阀座翻边，加压板固定，或过盈配合嵌人槽内。另一种方法是在密封环凹槽内，设置一组泄压的孔将凹槽内介质压力泄放至出口低压侧。这组小孔设置在阀门的水平位置，在15° 角的区域内。它的效果是改变了作用在密封环上力的方向，保护密封材料不被损坏。

管线球阀的组合密封座发展至今，基本上已渐趋标准化，可以分为两种情况。

（1）热塑性高分子材料

由热塑性高分子材料作为密封材料的组合密封座，其密封材料按不同工况（压力、温度和介质）给予选择，例如：

①填充PTFE塑料适用于阀门Classl50〜600压力级；

②DELON适用于阀门Classl50〜2500压力级；

③P. CTFE适用于阀门Classl50〜1500压力级；

④尼龙NYLON与LAURAMID适用于阀门 Classl50〜2500 压力级；

⑤PEEK适用于阀门Classl50〜2500压力级；

© VESPEL （polyimide）适用于阀门 Classl50〜2500压力级。

它们的结构与使用温度范围如图3-36所示。

（2）橡胶弹性体

由橡胶弹性体作为密封材料的组合密封座，其密封材料的截面形状可以做成0形的或三角形的 （deltaring）,橡胶的邵氏硬度为98，并牢固地被锁定在凹槽内，其适用范围的阀门压力级为ClaSS150〜900。zui常用的橡胶材料：T49/TBSh98（HNBR ）； T58sh98（FKM ）全氟醚橡胶；T58/VED （FKM 防 爆型）防爆型全氟醚橡胶；T58/GLTsh989 （FKMGLT）全氟醚橡胶。其适用的温度范围如图3-37 所示。    

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