一种新型阀体密封结构的设计与试验研究

第一作者简介：张建斌(1982-)，男，河南武陟人，高级工程师，本科，主要从事泵阀产品的认证、检测、设计研发方面的研究工作，就职于合肥通用机械研究院有限公司。基金项目：国家自然科学基金项目(52105176)摘 要：针对有阀体阀盖连接的阀门，阀体与阀盖之间需要密封垫片进行密封，目前密封效果良好的是柔性石墨波齿复合垫片，基于此，研究一种非对称波纹复合垫片，应用于流体设备的端面和管线法兰密封，尤其是工业阀门中腔密封，取代冲刺石墨垫，弹性体密封垫，实现管线法兰、阀体部位VOCs级的低逸散密封[1]。研究包括中间金属板压制成非对称波形斜纹增强层的波峰波谷设计;金属板两面复合负比压的非金属柔性材料参数;非金属复合层厚度等于小于金属板原始厚度;垫片内外边缘裸露出金属板;阀体阀盖密封垫片表观形式有跑道形﹑圆形﹑椭圆形或其余同轨迹不规整形状。该密封垫片具有抗微动磨损、高补偿性、低强度螺栓预紧低扭矩密封、结构轻薄简略等特性，适用于阀门阀体与阀盖连接处的密封。关键词：阀门;垫片;密封;试验0

引言

“十四五”规划中重点环境保护，实现2030碳达峰和2060碳中和。工业源头碳放削减与转移还是工作重点，特别是现行工业VOCs治理水平，以及工业VOCs的减排发展方向还有待提升。着眼当前工业源污染减排，切实有效，能立竿见影的规划重点还是开展减少工业VOCs的排放量和排放源,即减少工业设备密封点的泄漏。泄漏之主要原因为设备元件、轴封、衬垫等密封处，因老化，腐蚀、磨损、变形或设计不良而导致密封性失效，造成工业物料在输载运行中挥发性气体、液体或固气粉尘由密封不良处泄漏、逸散到周边环境中。通过梳理工业流体设备，阀门作为压力管道控制元件，有相当的装机数量，复杂的工艺要求，恶劣的工作环境，已成为工业排放的主要源头。

在阀门中道及阀门输入输出端和管线连接法兰，都是端面密封。密封方向使用的柔性石墨类垫片、PTFE类垫片、普通橡胶垫片均有各自的缺陷，如柔性石墨垫片,耐温度等性能虽好,但存在脆性大,强度低等缺陷[2];PTFE垫片虽然具有良好的耐腐蚀性能，但存在受压蠕变性能差等缺陷;橡胶垫片虽然具有良好的压缩回弹性能，但存在容易老化等缺陷;这类密封材料或密封形式，一段时间后产生微动磨损、很难保持密封，特别是难控制含VOCs挥发物的逸散泄漏。为了克服上述各类垫片在实际应用中出现的不足之处，设计者往往进行材料改性或插层金属板增强，以求更可靠、更长效的密封性能，但由于实际工况的要求苛刻，特别是VOCs挥发物的密封要求更高;选择增强材料的回弹补偿不够;一些安装空间窄小;螺栓预紧分布不均匀都会造成时效密封的不理想。为了解决上述问题，研究了一种在空间窄小、设备行腔紧凑下的轻薄简略的新型阀体密封结构，机械强度好、压缩补偿高、预紧比压小、密封时效长的阀门设备端面、连接管网法兰密封的非对称波纹复合垫片。

1.阀体密封结构设计

在阀门设备端面和连接管线法兰密封设计一款非对称波纹复合垫片[3]。主要包括中间金属板压制成的非对称波形斜纹增强层，该波形有波峰和波谷，并有一定的角度范围;垫片表面设计有一对及一对以上的波峰波谷密封阻流槽;在金属板两面复合负比压的非金属柔性材料，该材料复合层厚度不得大于金属板原始厚度;且垫片径向内外边缘裸露出金属板。垫片表观型式有跑道形、圆形、椭圆形或其余同轨迹不规整形状(图1、图2)。新型波纹垫片具有磨合后或螺栓松驰后的抗微动磨损、高补偿性、低扭矩适用于普通级螺栓载荷下的预紧、结构简略轻薄适用于空间窄小的密布管网法兰或阀门阀体与阀盖间的密封。尤其是插层金属板的回弹补偿不足、 螺栓预紧力分布不均匀都会导致密封效果不理想。针对VOCs的低逸散泄漏要求，设计出波纹密封垫片。

进一步地改进中间增强层，冷压制成金属板是非对称的波形斜纹，波纹有一定的夹角范围，斜纹角度为45°～75°，其中垂直角度为15°～20°。

与现有技术相比，设计出的新型的阀体密封结构，包含流体设备端面、管线法兰密封的非对称波纹复合垫是一片金属板切割成所需要形状，再冷压制成非对称波形斜纹如一道道弹性蝶簧，比其他形状与种类的垫片，螺栓松驰后的补偿能力高出3倍;在密封时金属板两侧的柔性材料最终压缩比小于金属板的波纹延展率，在预紧压缩时能均匀填充波谷，并与密封面的嵌合更充分;制品轻薄简略的设计不但生产工艺简单，品控过程便捷，还解决了管网分布空间窄小的安装和维保;抗微动磨损、高补偿性在预紧面压分布不均匀的情况下或螺栓扭矩时效松驰后能保持有效的密封。通过不同功能柔性材料的复合，可实现高温、腐蚀、老化等工况下的长期运行。

在通用波纹垫的基础上，设计出一种阀体密封用波形波纹垫，垫片由两层柔性层以及位于二者之间的支撑层构成，以适应流体设备的端面、管线法兰盘端面等，垫片的横截面呈波浪形结构，且其波峰的对称轴与通孔的中心线倾斜设置，波峰和波谷构成了一个或多个密封阻流槽，可防止液体从该垫片与管路之间溢出，当施加预紧力使垫片与管路端面紧紧贴合时，柔性层受到挤压并填充满支撑层的波谷，使得垫片与管路的端面接合得更加紧密，提升密封性能，而且在预紧力施加不均匀时，波浪形结构的垫片能够回弹并将其与管路端面之间的空隙填满，以确保垫片的长期稳定密封。波形斜纹垫两种波型截面对比图如图3、图4所示。

2.试验研究

2.1 逸散性试验[4]普通波纹垫与波形斜纹垫片的密封性能对比图(图5)可以看出，在恒定预紧比压40MPa时，波形斜纹垫片比普通波纹垫在渐进的介质实验压下泄漏率线性平稳，波形斜纹垫介质压强到了5MPa泄漏曲率趋于平直。

低温逸散性试验现场(RT-196度)见图6。

通过试验比对可知，新型阀体密封用波形斜纹垫在介质压力大于5MPa后，逸散性试验结果泄漏量低于通用波纹形垫片，密封效果明显优于通用波纹形垫片。

2.2 耐火试验[5]阀体密封垫片(普通波纹垫与波形斜纹垫片)内部循环水压力为0.8 MPa±0.02MPa，火烧持续时间30.0min。火烧试验期间，火焰温度在2min后保持在750℃以上，入口端水温保持在80℃±2℃，出口端水温≤85℃。火烧结束后，阀体密封垫片(普通波纹垫与波形斜纹垫片)冷却到100℃以下，再进行密封性能试验。密封性能试验压力1.2MPa，持续时间5min。结果要求表明普通波纹垫泄漏量为0.6mL/min，波形斜纹垫片为无可见泄漏。进一步验证了改进后的波形斜纹垫片密封效果优于普通波纹垫。

耐火试验现场见图7。

3.结语

阀体连接处密封垫片的密封性能直接影响到阀门使用周期及性能，设计出一种新型的阀体密封结构用波纹形垫片，通过对密封垫片的试验研究[6]，该阀体密封垫片具有机械强度好、压缩补偿高、预紧比压小、密封时效长等特点，且制造工艺简单，易于广泛推广使用，有效地降低了因阀体密封泄漏而导致的有害物质排放。

参考文献

[1] 耿艳春,吴益民,王仕江,等.核电阀门密封材料研究与填料的结构设计[J].液压气动与密封,2014,34(8):27-31.

[2] NB/T 20010.14-2010,压水堆电厂阀门第14部分：柔性石墨技术条件[S].[3] 梁小凤,黄乐,闫志旭. 密封相关术语解读[J].液压气动与密封,2020,40(1):65-68.[4] ISO 15848-1:2015,工业阀门 逸散性介质泄漏的测量、试验和鉴定程序 第1部分:阀门型式试验的分类体系和鉴定程序[S].[5] GB/T 22218-2008,船舶与海上技术 配有弹性密封件的金属管路附件耐火性能 试验方法[S].[6] 励行根,励勇,励洁,等. 核电站石墨密封垫片的试验研究[J].液压气动与密封,2010,30(11):29-31.