浙江华夏徐长祥:金属-金属软密封与无函密封

内容提要：古今中外，金属-金属密封叫硬密封，金属-非金属密封叫软密封，凡是杆柱密封都是有函密封——有填料函的密封。本文介绍金属-金属软密封和无函密封，提出杆密封的本来结构。

关键词：金属-金属软密封  无函密封

传统管路部件以公称通径标称规格，现代管路部件以实际外径标称规格¹⁾。相关国际标准，对两者有着截然不同的要求，但是，还鲜为中国人知。

ASME B16.34-2004是通径规格管路用阀门基础标准，其7.1.1款规定，阀体应在半开状态下，即包括阀杆密封在内，至少1.5倍额定工作压力不泄漏。但其7.1.3款又补充规定，阀杆泄漏不得作为拒收的理由；阀杆密封，当其通不过1.5倍额定工作压力测试时，应至少在38°C额定压力下无可见泄漏。API 6D/ISO 14313及其它阀门标准也如此规定。

也就是说，现有阀杆密封技术不能满足通径规格管路用阀门的需要，乃至标准不得不以牺牲阀门可靠性为代价地对其作出让步。现有阀杆密封技术连通径规格管路用阀门的1.5倍额定工作压力的测试要求都满足不了，就更不用说满足外径规格管路用阀门的4倍额定工作压力的破裂压力测试要求了。

在欧洲，为满足德国TA Luft (空气质量控制技术指令)要求，阀门制造商不得不在现有填料阀杆密封的基础上，在阀杆上再增加“O”型圈密封。

然而，本文提出的金属-金属软密封和无函密封，不仅可突破普通阀门现有技术的瓶颈，而且还可满足外径规格管路用阀门的需求。

2 球之楔功能与金属-金属软密封

在球上，圆心与球心重合的圆叫球大圆，圆心与球心不重合的圆叫球小圆。

如图1a所示，半球体通过其小圆B-B支承在座上时，半球体相对其座是一锥体，通过球心施加力P就可在支点B对座产生两个挤扩力：F=P/2sina。显然，球的支点越靠近大圆(a越小)，球的楔功能就越强，越靠近顶点(a越大)，球的楔功能就越弱。如图1b所示，如果座是球形窝，其直径又经济地制造得刚好稍小于球的直径，球座的球心经济地制造得刚好稍高于其基准面，则就可保证常用直径的球对其球座初始接触在座口(一个圆)，且初始接触楔角a小于10°。“球与其球座接触是一个圆”就意味着，无论球对其球座的挤压力多小，刚接触瞬间的接触变形应力都是无穷大，因为接触线的面积为0；而“初始接触楔角a小于10°”就意味着，球相对其球座是一个小角楔，对球座的挤压力比通过球心的操作压力大得多。也就是说，这样的球对这样的球座口有足够大的挤压变形能力。此时的球相对此时的球窝就叫球形楔或球楔。

可想而知，如果金属球窝退火，与其配合的金属球楔淬硬，则此时的球楔/球窝配合副，虽然是金属对金属，但它就会象金属对非金属一样，只要轻轻压配合接触就完成密封。或者说，用淬硬的金属球楔与退火的球窝配合组成的流体启闭副或密封副就是金属-金属软密封，它同时具有传统的金属-金属硬密封和金属-非金属软密封的各自优势，而避开各自劣势。

如果淬硬的球楔有适当的圆度精度，则无论被操作的球楔在软球窝中怎样转动、怎样磨损球窝，在球窝上留下的磨损形面都是同一个球楔球面。也就是说，越磨损，球窝与球楔越一致，接触越来越好，接触面积越来越大，越来越不易磨损，即越用越好，越用越耐磨。传统的球/孔密封副，闭合接触点远离球大圆，无楔的力放大挤扩能力，要求的操作力大，不易密封。传统的非球形密封副，如锥体/孔密封副，不可能次次同轴闭合，因而次次闭合接触只能是不同的椭圆而不可能是本来的相贯圆，不可能取得完全密封的效果，而且只能是越用越磨损，越磨损越不能紧密闭合。恰恰相反，球楔/球窝密封副可年年、月月、日日、次次操作始终如一地取得紧密密封。

用球楔/球窝配合副中的球楔作阀瓣，用其中的球窝作阀座，就可构成截止阀中的启闭副。用球楔/球窝配合副中的球楔作阀杆的止端，用其中的球窝作阀杆的止座，就可构成阀的上密封副或阀杆端密封副。阀座位于阀体上，阀杆止座位于阀体或阀盖上，而阀体和阀盖，按相关标准规定，必须正火或退火至软状态，正好符合金属-金属软密封配合要求而可避除堆焊和堆焊后加工和处理。

在理论上，只要保证初次配合接触时，球楔球心偏出球窝基准面一个δ范围值，就可确保该球楔/球窝密封副是金属-金属软密封。直径越小，要求δ值越小；直径越大，δ值可越大。对于普通常用较小直径的球楔/球窝密封副，δ=0.2mm左右，就可确保该球楔/球窝密封副是金属-金属软密封。对于这样的尺寸配合要求，或是用普通数控机床加工，或是用靠模加工，或是用成型刀具加工，或是用它们的组合都可轻易加工，也可轻易检测。

如图2b和图2c所示，传统的杆柱密封靠轴向压力，把一组平垫(图2b)或V型垫(图2c)一类填料，挤压在填料函内的函壁和杆间完成对杆柱的密封——填料的径向抱杆密封力来自函壁对填料的约束力，可以说，填料，没有函的约束，就不可能完成对杆的密封，因此，可称之为有函密封。对这种有史以来就是有函的杆柱密封而言，由于压力沿轴向递减，因而填料垫对杆的抱紧力沿轴向不均匀，由于阀杆、填料、填料函、填料压紧环不可能完全同心安装、对称压紧，因而填料对杆的抱紧力沿周向也不均匀，以至于当阀杆整体完成密封时，某些点的应力已超过材料的许用应力，达到极易磨损的程度，也就是说，已有技术的密封填料结构的材料利用率低而不耐磨。由于密封动力是沿阀杆轴向的，对阀杆的止推端面的密封作用是直接的，对阀杆柱面通过填料的密封作用是间接的，特别是对于径向密封分力为零的盘根与平垫填料，往往都是当止推肩端面密封生效时填料密封未生效，当填料密封生效时止推端面密封累遭挤坏，或者说，当压到填料对杆柱的密封生效时，杆止推垫的材料的应力已超过其许用应力。虽然V形截面组垫的阴阳V形配合可产生径向密封分力，但是，由于上下阴阳V形角度差缝中有排不尽的受温度和压力变化影响极大的压缩空气，因此，同已有技术的其它填料一样，都是密封调节不灵敏以至于弹簧补偿无效；由于阳V形在撑大阴V形而加强杆密封的同时，阳V形的侧面也在被阴V形压缩小而削弱杆密封，乃至V型垫的密封只集中在其外唇(图2d)，因此，同已有技术的其它填料一样，V型填料同样是材料利用率低而不耐磨。

实际上，任何密封填料都必须是可压缩变形的，因此，任何V型密封垫都远非刚体，在压缩到一定程度后，都不再具备原设计的力学性能，乃至V型组垫仍然只相当于一个整体矩形平垫。

图2a的三角套密封是本文提出的无函杆柱密封，其中，密封三角套上的力F_a是套压环对套的压力，力F_b是套座对套的反作用力，力F是F_a和F_b的合力。因为合力F是径向的，相当于作用在三角套外表面上，所以，三角套再也不需要受图2b和图2c那样传统的填料函的约束。因为三角套无函约束，所以，三角套可自由随杆摆动地拥有一个非常均匀对称的径向抱杆分力，乃至三角套极度耐磨。因为套压环把套直接压向杆，所以，三角套的夹压动力系统非常高效，乃至碟型弹簧垫圈对磨损和温度变化的补偿极度有效极度灵敏。

由于需要三角套同时完成对杆柱和套座的密封，因此，如果套截面是等边三角形，则三角套的三面压力相等，即三角套就可把套压环对套的压力全值转换成两个相等的密封力，同时实施对杆柱和套座的密封。如果将套截面的等边三角形再象图2a稍稍截顶，用未截短边形成的内圆柱面作杆柱密封，用一条截短边形成的外锥表面作套座密封，用另一条截短边形成的套外锥表面作套压环的压紧面，则稍截短边对座的密封应力稍大于未截短边对杆柱的密封应力；加之实施杆柱的动密封难，实施座的静密封易，所以，当三角套完成对杆柱的密封时，肯定已提前完成对座的密封。也就是说，用截顶的等边三角截面套实施杆柱密封，可排除套座影响地真正实现对杆柱的无函密封。

由于等边三角截面套各面的压力、应变、应力都是相等的，因此，无函三角密封套的最大应力就是套对杆的有效密封应力。由于常用密封材料的泊松比小于0.5，如常用密封材料聚四氟乙烯(PTFE)的泊松比为0.46，因此，有函密封的填料在函中受压时，轴向的应变至少是径向应变的2倍，根据虎克定律，轴向的应力至少是径向应力的2倍，或者说，在忽略填料的变形移动阻力的前提下，有函密封填料的最大应力至少是填料对杆的有效密封应力的2倍。加之有函矩形密封填料的变形移动阻力远大于无函三角密封套的变形移动阻力，所以，对提供相同密封应力或能力而言，无函三角密封套总是比有函密封填料远离材料许用极限，有更高的稳定性和可靠性，对密封材料奉献至许用极限时而言，无函三角密封套的承压能力远远不止是有函密封填料的承压能力的2倍。

为了使密封应力或能力有限的有函密封能承受更高的介质压力，只好增加填料矩形截面高度，即延长介质沿杆的泄漏路径，但增加填料高度等于增加密封面积而降低密封应力；为了维持密封应力不变，又只好增加轴向操作压力，为了维持操作压力增加后的轴向应力不超出材料的许用极限，又只好增加填料的径向尺寸，但填料尺寸越增加，填料的变形移动阻力越大，填料的最大应力与其对杆的有效密封应力相差越悬殊，所以说，传统的有函密封填料比新发明的无函三角截面套的尺寸更大、材料更多而利用率却出奇地低。

由于三角套密封可以无函地结构在体外，因此，使用无函三角密封套可以节省传统有函密封所需的空间和材料。

图3a是一个不装开关球的球阀(阀体加阀杆总成)，是一个用于测试球楔/球窝金属-金属软密封和三角套无函杆柱密封各自密封性能的绝好装置，其中图3a是其剖视图，图3b是开槽的三角套与不割肉的楔的组合，用于单独测试球楔/球窝的密封能力，图3c是不开槽的三角套与割肉的楔的组合，用于单独测试三角套的密封能力。在图3中，01是阀体，06是阀杆，09是三角密封套，10是套压环，11是蝶簧，12是六角薄螺母，13是螺母止动垫，14是手柄，15是挡销。

测试证明：

① 用图3b的组合(使三角套的密封失效)，手指拧紧六角薄螺母12，球楔/球窝杆肩密封就可单独承受0.6MPa气压及阀体的4倍额定工作压力的水压测试不漏不破。

② 用图3c的组合(使球楔/球窝的密封失效)，手指拧紧六角薄螺母12，三角套杆柱密封就可单独承受0.6MPa气压，扳手适当拧紧六角薄螺母12，三角套杆柱密封就可单独承受阀体的4倍额定工作压力的水压测试不漏不破。

也就是说，本文提出的球楔/球窝金属-金属杆端软密封和三角套无函杆柱密封，分别具有与阀体相同的可靠性，可超越标准对通径规格阀门的要求而达到对外径规格阀门的要求。

阀门中常用的密封物，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚甲醛(Acetal)、聚酰胺(Nylon)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、橡胶(Rubber)等，都是聚合物，或是热塑性或是热固性。大多数热塑性聚合物在某个高温以下都有一个晶体与非晶体交替转换区，有些热塑性聚合物在常温下就是非晶体，有些热塑性聚合物在常温下就是半晶体半非晶体；热固性弹性体在玻璃转化温度T_g以下呈晶体状，在T_g以上未拉伸时呈非晶体状，拉伸时逼近晶体状。²⁾

晶体使聚合物有强度，非晶体使聚合物有弹性还有粘性。塑性变形时，既显弹性又显粘性的物体叫粘弹体。实际上，常温下的非晶体或半晶体聚合物是粘弹体，常温是晶体的聚合物和金属，在高温下也是粘弹体。凡粘弹体，都有如下三个显著行为²⁾：

a 在不变的应变条件下，内部应力会消失，即松弛(Relaxation)；

b 在不变的应力作用下，会儒动或爬行(Creep)，即冷流；

c 在交变力作用下，变形滞后(hysteresis)，会吞噬能量而发热。

    聚合物的“松弛”行为可用图4a所示的Maxwell材料模型来模拟，“儒变”行为可用图4b所示的Kelvin-Voigt材料模型来模拟；用图4c所示的标准线性固体模型可综合模拟聚合物的“儒变”和“松弛”行为；其中，弹簧(E)代表粘弹体中的纯弹性元，活塞-油缸缓冲器(h)代表粘弹体中的纯粘性元。弹簧轴向一受力就变形，力一消失就复原；缓冲器活塞受力后首先是抵抗移动，然后才是缓慢移动，拉压力消失后均不能再复原位。

                      

图4a Maxwell材料模型     图4b Kelvin-Voigt材料模型    图4c 标准线性固体模型

    阀杆填料和端密封垫，随阀杆的安装压紧，各自有一个定值应变，因此，根据Maxwell模型，它们的密封应力会慢慢消失即松弛，也就是说，如果无碟形垫的应力补偿或应力补偿不足，则长期库存的阀杆密封，根据Maxwell模型，会失效。在线阀门，在不变介质压力作用下，阀杆向外挤，在其端密封垫上附加一个定值正应力，在其阀杆填料上附加一个定值负应力，因此，根据Kelvin-Voigt模型，他们都会慢慢爬行变形，也就是说，如果无碟形垫的应变补偿或应变补偿不足，则长期在线的阀杆密封，根据Kelvin-Voigt模型，会失效。阀杆密封，无论是填料密封还是端密封，在安装压紧引起的定值应变下和在介质压力引起的定值应力作用下，如果无碟形垫的应力补偿或应力补偿不足，则根据标准线性固体模型，会因不断地松弛和爬行而失效。

在交变介质压力作用下，具有粘弹性的阀杆密封材料，会因变形滞后性而导致密封材料发热、变形、加速老化，影响密封的紧密性和持久性。

由于金属的相变温度远高于普通聚合物的相变温度，因此，相对传统的聚合物软密封而言，金属-金属软密封，既无任何密封应力松弛影响，也无任何密封材料的爬行变形影响，具有极高的可靠性。

对同等密封应力需求而言，无函密封比有函密封，有更小的材料应变和应力乃至有更弱的材料粘弹行为，但却有更灵敏的补偿粘弹行为的性能，因此，相对有函密封，无函密封有更高的可靠性。

所以，粘弹理论下的金属-金属软密封的可靠性远高于传统的金属-非金属软密封的可靠性，粘弹理论下的无函密封的紧密性和可靠性远高于有函密封的紧密性和可靠性。

6 金属-金属软密封和无函密封的应用

金属-金属软密封可用做截止阀、调节阀、针型阀等阀门中的启闭副和球阀、截止阀、闸阀等阀门中的上密封或杆端密封，无函密封可代替一切有函填料密封。

 

 

   图5是利用金属-金属软密封和无函密封开发的球楔针型阀，图5a是其剖视图，图5b是其分解透视图。阀门的左端是螺纹连接端，阀门的右端是挤压连接端，由件11、件12和件13组成。件04(球楔阀瓣)与阀体01上的球窝构成一个用作阀门启闭副的金属-金属软密封，件06(球楔密封套)与阀体01上的球窝构成一个用作阀盖02的金属-金属软密封，件05(三角套)用作阀杆03的无函密封。07是锁紧螺母，08是护罩，09是手柄，10是内六角螺钉。

图6是利用金属-金属软密封和无函密封开发的一体式球阀，其阀杆06端部的球楔与阀体01上的球窝构成一个金属-金属软密封，三角套09用作无函杆柱密封，件10是三角套的压环。

由于球楔/球窝密封副中的球楔可绕球心适度转动而不影响密封副的配合紧密性，因此，图6所示的球楔/球窝杆端密封副不会随阀杆的受力摆动而虚缝泄漏，而图2b和图2c所示的非球形配合杆端密封副会随阀杆的受力摆动而虚缝泄漏。也就是说，金属-金属杆端软密封的阀杆还可经受现场踩踏和操作冲击。

其它阀门都可象图6的球阀那样，或单独用金属-金属软密封作杆端密封，或单独用无函密封作杆柱密封，或两个同时使用，提高阀门的可靠性。

图6 一体式球阀

 

参考资料

1 WikiAnswers, http://www.answers.com/pipe%20vs%20tube

 Pipe vs. Tube, http://www.bicyclesports.us/id198.htm

Pipe vs. Tube, http://www.diygokarts.com/articles/pipe-vs-tube.html

 Pipe vs. Tube, Wikipedia, http://www.answers.com/Water_pipe

Pipe (material), Wikipedia, http://www.answers.com/topic/pipe-material

2 Viscoelasticity, Wikipedia, http://www.answers.com