自密封阀门(word)

自紧密封设计与计算

（一）自紧密封原理及密封结构设计

按照密封原理，密封可分为两大类，即强制密封和自紧密封。

（1）阀门的强制密封拧紧中法兰螺栓，对密封垫片施加压紧力，预紧的垫片受到压缩，密封面上凹凸不平的微隙被填满。这样就为阻止介质泄漏形成了初始密封条件——密封面上形成预紧比压。当介质压力上升和操作阀门时，密封面上的预紧比压下降，垫片回弹，如果垫片具有足够的回弹能力，使密封面上的工作密封比压始终大于介质和操作比压时，则密封面保持良好的密封状态。可见，强制密封的必要条件是在介质压力和操作力作用下密封面上仍能保持一定的残余压紧力，应强调指出的是：强制密封中介质压力总是驱动于减小预紧密封比压，降低密封性能。

强制密封的典型结构是平垫密封、缠绕垫密封和齿形垫密封等；通常用于低压、中压和中小口径的阀门。

（2）阀门的自紧密封升压前，先旋紧螺栓，使阀盖上升，使阀盖与楔形密封垫之间，以及阀体与楔形密封垫之间形成初始密封条件——密封面上的预紧比压。当介质压力上升时，阀盖与楔形密封垫以及阀体与楔形密封垫之间的密封比压随压力的增加而逐渐增大。在自紧密封中，密封面上的工作密封比压由两部分合成：一是与紧密封比压，二是由介质压力形成的比压。应强调指出的是：自紧密封中介质压力总是趋于增加预紧密封比压，增加密封性能。介质压力愈高，工作密封比压就愈大，密封性能愈好。根据这一特点，自紧密封作为高压密封技术，常用于高温高压大口径阀门。

自紧密封中根据介质压力作用在密封垫上的力的方向又可分为：轴向自紧密封和径向自紧密封。

轴向自紧密封有：楔形垫组合密封（伍德密封）、楔形密封、平垫自紧密封、C形圈密封和O形圈密封。

径向自紧密封有：双锥密封、B形环密封、三角垫密封、八角垫（椭圆垫）密封及透镜垫密封。

以上各种自紧密封的结构形式、工作原理、应用范围见表1。

表1 自紧密封结构形式、工作原理及选用表

（二）楔形垫组合自紧密封的设计与计算

1.楔形垫组合自紧密封的结构设计

典型的楔形垫组合密封结构的阀门如图

大口径阀门楔形垫的外锥面上有的开有1~2条环形沟槽，楔形垫的几个锥面角度分别为：α=30°-35°，β=5°，γ=5°~10°

阀盖和楔形垫之间按线接触密封设计，即阀盖与楔形垫接触部分密封面角度与楔形垫α之间相差1°~2°。

阀体、阀盖与楔形垫接触部位（密封面）应堆焊18-8型奥氏体不锈钢或堆焊硬质合金而形成衬里。堆焊层厚度为2mm左右。衬里的作用是防止氧化生锈，它容易与楔形垫形成良好的接触面和角度差，可提高密封效果。

楔形垫外径与阀体内腔的配合间隙应符合表2的规定

为了防止密封力过大而压溃密封面，设计楔形垫时应注意选配适当强度的材料。其选材原则是：在保证耐腐蚀性和耐工作温度性能的前提下，其表面硬度应低于阀体和阀盖密封层硬度；易产生塑性变形，同时又要有足够的强度。为了解决这一矛盾，满足强度和塑性两方面的要求，通常将强度高的材料表面镀一层软质镀层或涂覆层。镀层金属有：银、金、铂、铜、锡、铅、铟等。在高温高压阀门中通常采用纯铁镀银或不锈钢耐酸钢做楔形垫。在温度低于200℃的阀门中涂覆层主要有：聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯等。

楔形垫组合密封的主要优点：

（1）在高压下和温度与压力有波动时，密封性能良好，密封可靠。

（2）与强制密封相比，无中法兰和连接螺栓，使阀门重量减轻，结构紧凑，特别是在大口径高压阀门中，其优点更加明显。

（3）去掉了连接螺栓，不需要很大的螺栓预紧力，因此装拆方便。

它的缺点是：结构复杂、零件加工精度高，装配要求高。

2.楔形垫组合自紧密封的设计计算

高温高压阀门通常采用楔形垫组合自紧密封结构（伍德密封结构），楔形垫组合密封结构如图？所示。

阀盖和楔形密封垫之间按线接触密封设计，楔形密封垫的外锥面上开有1~2条环形沟槽。其结构如图？所示。楔形密封垫的锥角分别为：α=30°-35°，β=5°，γ=5°~10°。（1）载荷计算内压引起的总轴向力按式（1-1）计算：

F=π

4

D C2P (1-1)

式中F—内压引起的轴向力（N） D c——密封接触圆直径（mm）P——设计压力（MPa）预紧状态时，楔形密封垫密封的轴向分力。即预紧螺栓的载荷按式1-2计算：

F a=πD c q1sin⁡（α+β）

cosρ

（1-2）

式中F a——楔形密封垫密封力的轴向分力（N）

q1——线密封比压，对碳素钢。低合金钢取q1=200~300N/mm；

ρ——摩擦角，钢与钢接触ρ=8°30′；钢与铜接触ρ=10°31′；钢与铝接触ρ=15°。

（2）支撑环的设计计算支撑环结构如图？

支撑环结构尺寸确定后，需对作用于纵向截面的弯曲应力和a-a环向截面的当量应力进行强度校核。

纵向截面的弯曲应力按式（1-3）校核：

σ

m =3F a（D a−D b）

3.14（D3−D1−2d k）δ

2

≤0.9 [σ] t（1-3）

式中σ

m

——弯曲应力（MPa）

D a——a-a截面的直径（mm）

D b——螺栓孔中心圆直径（mm）

D3——支撑环外径（mm）

D1——支撑环内径（mm）

d k——螺栓孔直径（mm）

δ——支撑环厚度（mm）

[σ] t——设计温度下元件材料的许用应力（MPa）。a-a环向截面的当量应力按式（1-4）校核：

σ

0=σ

ma

2

+τ

a

2

≤0.9[σ]

σ

——当量应力（MPa）

σ

am

——a−a环向截面的弯曲应力MPa