阀门的密封原理

 阀门密封性原理
    阀门的种类繁多，但是基本的作用却是一致的，那就是连通或者截断介质流。因此，阀门的密封问题就显得十分突出。

    要保证阀门能够良好的截断介质流，不发生泄漏，就要保证阀门的密封完好。而造成阀门泄漏的原因很多，包括结构设计上的不合理、密封接触面有缺陷、紧固零件发生松动、阀体与阀盖间的配合不紧密等等，所有这些问题都可能导致阀门密封不好，从而产生泄漏问题。所以，阀门密封技术是关系到阀门性能和质量的一项重要技术，需要进行系统深入的研究。

阀门从产生到现在，其密封技术也经历了很大的发展。到目前为止，阀门密封技术主要体现在两大方面，即静密封和动密封。

所谓静密封，通常是指两个静止面之间的密封，静密封的密封方法主要是使用垫圈。

所谓动密封，主要是指阀杆的密封，即不让阀内的介质随阀杆运动而发生泄漏，动密封的密封方法主要是使用填料函。

1. 静密封

    静密封是指在两个静止的截面之间形成密封，其密封方法主要是使用垫圈。垫圈的种类很多，经常使用的垫圈包括平垫圈、O形圈、包垫圈、异形垫圈、波形垫圈和缠绕垫圈等几大类，每种类型下面又可以根据使用材料的不同而进一步进行划分。

    ①平垫圈。平垫圈就是平整的贴于两个静止截面之间的垫圈，一般根据使用的材料可以划分为塑料平垫圈、橡胶平垫圈、金属平垫圈和复合材料平垫圈，每种材料的平垫圈都有其适用的范围。

    ②O形圈。O型圈是指断面形状呈O型的垫圈，由于其断面形状是O型，有一定的自紧作用，所以密封效果比平垫圈好。

    ③包垫圈。包垫圈是指将某种材料包裹在另一种材料上的垫圈，这样的垫圈一般具有良好的弹性，可以增强密封效果。

    ④异型垫圈。异型垫圈是指那些形状不规则的垫圈，包括椭圆形垫圈、菱形垫圈、齿轮型垫圈、燕尾型垫圈等，这些垫圈一般有自紧作用，大多在高中压阀门中使用。

    ⑤波形垫圈。波形垫圈是只具有波浪形状的垫圈，这类垫圈通常是将金属材料和非金属材料组合起来构成，一般具有压紧力小，密封效果好的特点。

    ⑥缠绕垫圈。缠绕垫圈是指把很薄的金属带和非金属带紧贴在一起、缠绕形成的垫圈，这类垫圈具有良好的弹性和密封性。

    垫圈的制作材料主要包括三大类，即金属材料、非金属材料和复合材料。一般来说，金属材料的强度高，耐温性能强，常用的金属材料有铜、铝、钢等。非金属材料的种类很多，包括塑料制品、橡胶制品、石棉制品、麻制品等，这些非金属材料的使用大范围，根据具体的需要来选用。复合材料的种类也很多，包括层合板、复合板等，也是根据具体需要选用，一般在波形垫圈和缠绕垫圈等上面使用的比较多。

2. 动密封

    动密封是指不让阀内的介质流随阀杆运动而泄漏的密封，这是一个相对运动过程中的密封问题，其密封方法主要是采用填料函。填料函的基本形式有两种，即压盖式和压紧螺母式。压盖式是目前使用得很多的形式，一般从压盖的形式而言，可以分为组合式和整体式两种，每种形式虽有区别，但是基本上都包含有压紧用的螺栓。压紧螺母式一般用于较小的阀门，由于这种形式的尺寸较小，所以压紧力是受到限制的。

    在填料函内，由于填料是直接与阀杆接触的，所有要求填料的密封性好、摩擦系数小、能够适应介质的压力和温度、并且耐腐蚀。目前比较常用的填料包括橡胶O型圈、聚四氟乙烯编织盘根、石棉盘根和塑料成型填料等，每种填料都有其适应的条件和范围，根据具体的需要来选取。

    密封就是防止泄漏，那么阀门密封性原理也是从防止泄漏研究的。造成泄漏的因素主要有两个，一个是影响密封性能的很主要的因素，即密封副之间存在着间隙，另一个则是密封副的两侧之间存在着压差。阀门密封性原理也是从液体的密封性、气体的密封性、泄漏通道的密封原理和阀门密封副等四个方面来分析的。

液体的密封性

    液体的密封性是通过液体的粘度和表面张力来进行。当阀门泄漏的毛细管充满气体的时候，表面张力可能对液体进行排斥，或者将液体引进毛细管内。这样就形成了相切角。当相切角小于90°的时候，液体就会被注入毛细管内，这样就会发生泄漏。发生泄漏的原因在于介质的不同性质。用不同介质做试验，在条件相同的情况下，会得出不同的结果。

    可以用水，用空气或用煤油等。而当相切角大于90°时，也会发生泄漏。因为与金属表面上的油脂或蜡质薄膜有关系。一旦这些表面的薄膜被溶解掉，金属表面的特性就发生了变化，原来被排斥的液体，就会侵湿表面，发生泄漏。针对上述情况，根据泊松公式，可以在减少毛细管直径和介质粘度较大的情况下，来实现防止泄漏或减少泄漏量的目的。

气体的密封性

    根据泊松公式，气体的密封性与气体分子和气体的粘性有关。泄漏与毛细管的长度和气体的粘度成反比，与毛细管的直径和驱动力成正比。当毛细管的直径和气体分子的平均自由度相同时，气体分子就会以自由的热运动流进毛细管。因此，当我们在做阀门密封试验的时候，介质一定要用水才能起到密封的作用，用空气即气体就不能起到密封的作用。

    即使我们通过塑性变形方式，将毛细管直径降到气体分子以下，也仍然不能阻止气体的流动。原因在于气体仍然可以通过金属壁扩散。所以我们在做气体试验时，一定要比液体试验更加的严格。

泄漏通道的密封原理

    阀门密封由散布在波形面上的不平整度和波峰间距离的波纹度构成粗糙度两个部分组成。在我国大部分的金属材料弹性应变力都较低的情况下，如果要达到密封的状态，就需要对金属材料的压缩力提更高的要求，即材料的压缩力要超过其弹性。因此，在进行阀门设计时，密封副结合一定的硬度差来匹配，在压力的作用下，就会产生一定程度的塑性变形密封的效果。

    如果密封表面都是金属材料，那么表面不平整的凸出点就会很早的出现，在很初只需用较小的载荷就可以使这些不平整的凸出点产生塑性变形。当接触面增大时，表面的不平整就会变成塑性-弹性变形。这时处在凹处的两面粗糙度就会存在。需要施加能使底层材料产生严重塑性变形的载荷时，并且使得两表面接触紧密，沿着连续线和环向方向才能使这些尚存的通径密合。

阀门密封副

    阀门密封副是阀座和关闭件在互相接触时进行关闭的那一部分。金属密封面在使用过程中，容易受到夹入介质，介质腐蚀，磨损颗粒，气蚀和冲刷的损害的。比如磨损颗粒。如果磨损颗粒比表面的不平整度小，在密封面磨合时，其表面精度就会得到改善，而不会变坏。相反，则会使表面精度变坏。因此在选择磨损颗粒时，要综合考虑其材料，工况，润滑性和对密封面的腐蚀情况等因素。

    如同磨损颗粒一样，我们在选择密封件时，要综合考虑影响其性能的各种因素，才能起到防泄漏的功能。因此，必须选择那些抗腐蚀，抗擦伤和耐冲刷的材料。否则，缺少任何一项要求，就会使其密封性能大降低。