超高压截止阀阀杆轴向密封力的分析

    阐述了超高压截止阀在不同密封型式下轴向力的计算及其确定并加以论证,分析了超高压截止阀的密封机理和密封面加工精度对截止阀轴向力的影响以及密封副材料的选用。
    1、概述
    超高压截止阀密封副材料通常为金属对金属,为了使截止阀关闭时密封严密,必须提高密封面的加工精度和粗糙度等级,并且对密封面施加非常大的轴向密封力。然而,轴向密封力并非越大越好。有一种观点认为超高压截止阀(≥300MPa)应为塑性法密封,且大都采用锥面线性密封。所谓塑性法密封,就是密封面的密封比压等于密封副软材料的屈服极限,使结合面紧密接触,利用软材料的塑变而堵塞硬件表面的不平处,形成近似理想平面,并产生等于软材料屈服极限的反力而保持密封。
    2、轴向力分析
    阀杆轴向力主要取决于密封面的总作用力,阀门设计中确定密封面总作用力的关键参数是密封比压。但是在超高压截止阀的锥面线密封情况下,其轴向力Q在无介质压力关闭时所产生的密封比压q是否可以大于密封副软材料的屈服极限δs,在有介质压力关闭时的密封比压q是否一定等于δs,本文将讨论q的合适值。
    3、密封面粗糙度对轴向力的影响
    根据只有当密封表面间的间隙小于介质分子直径时,才能保证介质不渗漏的观点,可以认为,防止流体渗漏的间隙值必须小至0.003μm。但是,即使经过精研,金属表面上的凸峰高度仍然超过0.05μm,要达到理想平面,就必须对接触面施加一定的力,这个力的大小与密封副软材料的σs及密封面的粗糙度有关。
    当密封面上的比压q<40MPa时,密封面的质量起着决定作用。例如在q=65MPa时,随着粗糙度等级的越来越高,渗透量迅速减小,也就是说在q<40MPa时,在同样一个渗漏量等级,粗糙度愈高所需要的q愈小,其轴向力越小。
    但对于σs>900MPa密封副材料,在用于300MPa等级的超高压阀时,除了从线弹性断裂力学观点出发,[σ]从强度要求考虑,Ra0.05μm以上,还要从密封机理上考虑。因此,对于σs为900MPa的超高压截止阀用密封副,其密封面粗糙度必须在Ra0.05μm以上。而对于经HIP处理的WC硬质合金密封副来说,由于其性质较脆,要增大密封面上的比压来压缩密封面上的波峰,就会使轴向力增加很大,而且会使密封副产生断裂,(在Fisher公司阀门的使用中,就有因轴向力调整不当而引起阀座断裂的例子),因此,其密封面上粗糙度必须高于Ra0105μm。只有在这个范围内,才能使用式(13)的轴向力计算式。
    4、结语
    超高压截止阀的密封机理分狭面弹塑性密封和线密封两种型式。由于阀座(或阀瓣)密封面塑性变形后的表面冷作硬化现象,所以轴向力的增加与阀座密封面宽度的增加并不成正比关系。口径1/2in.(15mm)以上超高压阀的密封副材料以采用HIP处理的WC硬质合金为宜,密封面必须有很高的粗糙度等级,而轴向力计算公式具有一定的使用范围。