唇形密封圈在固定球球阀中的应用

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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