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

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序号	名称	简图	结构形式及工作原理	应用范围	优缺点
1	楔形垫组合密封（伍德密封）		拧紧牵制螺栓，浮动顶盖与弹性楔形之间、弹性楔形垫与圆筒体顶端之间产生预紧密封力。内压力作用时，浮动顶盖继续轴向移动，牵制螺栓开始卸载，而他们之间相互作用的密封力，随压力增加而增加，保持良好密封。	D≤600~800mm t≤350℃ p≥30MPa	优点：无主螺栓连接，密封可靠，开启快，弹性密封垫可多次使用；对顶盖安装误差要求不高；在温度和压力波动情况下，密封性能仍良好缺点：结构复杂，零件多，笨重；加工精度及装配要求很高，制造困难；圆筒体顶端铸件大；高压空间占去多。
2	双锥密封		半自紧密封。内压作用下，介质进入双锥环与顶盖、筒体的环形空隙里，供双锥环向外扩张，两个锥面分别压紧在顶盖的内锥面和筒体端部内锥面上。由此达到密封，内压愈高，自紧力愈大，密封性能愈好。	D≤1400 P＜35MPa D≤1000mm P＜70MPa D≤600mm 竹筏船t≤350℃	优点：密封可靠，结构简单，加工精度要求不高，制造容易，可用于直径大，压力和温度高的阀门。在压力、温度波动的情况下，密封性良好。
3	楔形垫密封		密封垫放置在浮动顶盖和圆筒体端部之间，拧紧螺栓产生密封预紧力。操作时，介质压力作用于浮动顶盖上，使密封垫更加压缩拧紧，从而达到自紧密封。压力越大，密封力越大，密封性越可靠	D≤1000mm t≤350℃ P≤32MPa	优点：螺栓预紧力较小，有轴向自紧作用，密封可靠，顶盖可自由浮动。在温度、压力波动情况下，密封性良好。缺点：塑性密封垫拆卸困难，结构笨重，需要金属多，占去一定的高压空间
4	C形环密封		依靠C形环两个凸出圆弧形部分与顶盖及圆筒体顶端紧密接触实现密封。预紧时，C形环受到弹性压缩，环的两圆弧接触处产生初密封比压，当内压上升时，介质进入C形环的内腔，使密封环轴向张开。同时，顶盖因介质压力有离开圆筒体顶端向上移动的趋势	D≤1000mm t≤350℃ P≤32MPa	优点：预紧力小，结构简单，制造较方便，可用于无主螺栓的快开连接装置缺点：C形环凸面加工困难
5	9547900B形环密封		依靠B形环两个波峰分别与法兰和圆筒体顶盖的环向密封面接触，靠径向过盈产生预紧比压，以实现密封，当内压作用时，B形环向外扩张，密封比压相应增加，达到径向自紧	D＜800mm t≤350℃ P≥30MPa	优点：具有单纯径向自紧作用，对连接件的刚度要求低，即使连接系统有较大的轴向位移时，仍能保证密封。对压力和温度波动的使用场合具有优越性缺点：加工精度和光洁度要求很高；制造困难，成本高；装卸需谨慎
6	空心金属O形环密封		O形环内侧钻有一些小孔，使压力介质进入O形环本身的弹性回弹变形和环截面受内压作用后的膨胀实现的。O形环材料根据实际温度选择	D=500~1000mm t≤350℃ P＞20MPa	优点：预紧力小，密封性能好，结构简单。可用卡箍联结代替主螺栓，装拆快，可以多次使用O形环缺点：当O形环有椭圆形弧曲和表面有手感不平时，密封性能低劣，甚至于产生严重的泄漏
7	三角垫密封		三角垫在自由状态下的直径略大于密封槽的直径，拧紧螺栓时，端盖与圆筒体顶端靠合，三角垫径向压缩，在上下端点处产生预紧密封比压。内压力作用时，三角垫向外弯曲，其锥面与密封槽锥面紧密扣合，实习密封	D＜1000mm t≤350℃ P＞10MPa（亦有用于D＞1600mm P=20~35MPa ）	优点：密封性好，开启方便，预紧力小，结构紧凑：适用于压力和温度波动的高压阀门缺点：三角垫尺寸公差和粗糙度规定较严，制造困难，成本高，安装时需要特别谨慎
8	八角垫密封（椭圆垫密封）		椭圆垫与八角垫只是形状不同，其密封原理完全不同，都是径向自紧密封。密封垫平均直径比密封槽平均直径略大，靠垫圈与垫槽的内外斜面（主要是外斜面）接触，压紧而形成密封。密封原理与双锥环密封相似	自紧式：D≤1022mm T＜350℃ 程控步进衰减器系统 P≤35MPa 非自紧式： D≤580mm t≤350℃ P＞35MPa	优点：密封性可靠，抗冲击和振动载荷，使用压力高，密封口径打，结构简单紧凑缺点：垫圈宽度要求较宽（较窄容易被挤坏）所以连接螺栓、顶盖、筒体法兰等尺寸都较大
9	平垫自紧密封		轴向自紧密封，在筒体端部、顶盖、压环之间放平垫片，利用作用在顶盖端面上的压力使顶盖在轴向做一定范围的自由移动而压紧垫片，形成自紧密封密封所需外力只需达到垫片初密封所需的程度，内压越高，密封力越大，密封越可靠	D≤350mm t≤350℃ P≥100MPa	优点：结构简单，没有需经特殊加工或加工要求很高的零件，加工方便，成本低缺点：占去较多高压空间，平垫片有可能挤压在筒体、顶盖、压环之间，只适用于直径较小场合（直径较大时，螺纹难加工，且不易拧紧）

（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

表2 楔形垫与阀体配合间隙（mm）

公称通径	DN＜50	50≤DN＜80	80≤DN＜120	120≤DN＜180	180≤DN＜250	250≤DN＜320	320≤DN＜400	400≤DN＜500自动化测试脚本
间隙	0~0.05	0~0.06废渣4	0~0.07	0~0.08	0~0.09	0~0.10	0~0.12	0~0.15

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。

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