作者：陳鑒（jiàn）　劉秀波  

摘    要：介紹了唇形密封圈的工作原理、結構類型和安裝方法，論述了應用唇形密封圈組成的自泄（xiè）壓閥座和雙活塞效應（yīng）閥座的功能。

1　概（gài）述

唇形密封圈（Lipseal）也稱彈簧蓄能密封圈。因其優越的性能，像“塞子”一（yī）樣廣泛應用於各（gè）個領（lǐng）域，且實現（xiàn）密封功能（néng），故也（yě）稱為“泛塞圈”。泛塞圈的夾套由PTFE、RPTFE或其他高性能（néng）聚合物製成，內部彈簧可以選擇不同的材料。因泛塞（sāi）圈（quān）具有耐介質腐蝕和耐老化性能，在（zài）閥門行業中泛塞圈一般應用（yòng）在橡膠O形圈不（bú）能使用的特殊工況，如低溫、強腐蝕性介質等工（gōng）況（kuàng）。

2　性能

適用溫度：-270～340℃

適用壓（yā）力：0～350MPa

適用尺寸：0.635～3000mm

適用介質：幾乎所有介質

本文僅討論泛（fàn）塞圈（quān）作（zuò）為密封件在固定球球閥閥座部位的應用。

3　密（mì）封原理

泛塞圈在工作狀態時，密封唇和金屬彈簧處於（yú）壓縮（suō）狀態。夾套內部的彈簧提供了一個初始預（yù）緊力，使得低壓工況有很好的密封效（xiào）果。除了彈簧載荷以外（wài），介質壓力會在密封唇上施加額外的載荷。理論上講，介質（zhì）壓力越高，密（mì）封（fēng）效（xiào）果越好（圖1）。

圖1 密封原理（lǐ）

4　結構特點

4.1 彈簧

泛塞圈內部的彈（dàn）簧主要有圓形、V形和橢圓形3種（圖2），其材料（liào）可由（yóu）AISI301、Elgiloy、Inconel718、HastelloyC276等合金鋼製成。3種彈簧的載荷與壓縮率相差較大（圖（tú）3）。

圖2 彈簧類型（xíng）

圖（tú）3 泛塞圈（quān）彈簧載荷與壓縮率的關係

圓形彈簧也稱螺旋彈簧，用扁平鋼條旋繞而成，能提供比其他彈簧更大的載荷，但變形範圍較小。因此，圓形彈簧適合用於氣體介質和低溫介質。

V形（xíng）彈簧的工作（zuò）原理（lǐ）類似“懸臂梁”，使（shǐ）得彈簧提供的載荷集（jí）中在密封唇的前緣，這種彈簧具有中等負載（zǎi）和變形範圍，應用較廣泛。另外，當有反向介質壓力時，彈簧的開口處被（bèi）介質壓力壓縮，會產生“泄壓”功能。

橢圓形彈簧由圓（yuán）形鋼絲（sī）旋繞成傾（qīng）斜線圈而成，在很寬的變形範（fàn）圍內能提供相對恒（héng）定的載荷，使（shǐ）得密封件（jiàn）不會過度變（biàn）形而損壞。因此，橢圓形彈簧可以應用於封閉（bì）式（shì）溝槽設計。

4.2 支撐環

當有反（fǎn）向介質壓力時（shí），為了保護夾套密封唇不被損壞，需要在彈簧尾部設（shè）計支撐環。支撐環有矩形、L形和T形等結構（圖4）。

圖4 支撐環（huán）類（lèi）型

矩形支撐環的截麵類似矩形，其僅與V形彈簧配合使用，較為經濟的做法是用金屬鋼帶卷焊而成。缺點是裝（zhuāng）配時沒有定位，容易產生偏心，為了防止裝配時脫落和偏心，矩形支撐環與V形彈簧接觸（chù）的部位需要點焊固定，但這又（yòu）容易（yì）對彈（dàn）簧載荷產生影響。另外，在（zài）往複行程較大的（de）場合下不（bú）宜使（shǐ）用，如上裝式固定球球（qiú）閥閥座部位。

L形和T形支撐（chēng）環（huán）由金屬或工程塑料加工而成，彌補了矩形支撐環的缺點，可以在（zài）往複行程（chéng）較大的場合下使用，但製造成本（běn）較高。

4.3 擋圈

高壓和/或高溫介質工況，金屬零（líng）件之間的咬合間隙非常重要（yào）。咬合間隙是配合零件之間的單側間（jiān）隙（xì），在高（gāo）壓和/或高溫介質工況下，過大的間隙可能促使泛塞圈夾套被擠壓進咬（yǎo）合間隙，從而造成密封失效。

增加泛塞圈（quān）根部（bù）的厚度可以改善咬合，更為有效的（de）方式是使用擋圈彌補咬合間（jiān）隙。擋圈應比夾套材料更（gèng）加堅硬，通常使用高填充的RPTFE或PEEK（圖5）。

圖5 擋圈

5　裝配

安（ān）裝泛塞（sāi）圈的溝槽結構要有利於其裝配和拆卸，以避免夾套密封唇的損壞。泛塞圈初始裝入閥體時，閥體與泛塞圈接觸（chù）的部位應（yīng）設計成光滑的安裝倒角和圓角，此時的泛塞圈處於自由狀態，具有一（yī）定的變形（xíng）範圍，在緊湊型設計的情況下，閥體該部位也可以 隻（zhī）設（shè）計裝（zhuāng）配（pèi）圓角。在閥座與泛（fàn）塞圈接（jiē）觸的部位必須設計足夠大（dà）的裝配倒角和圓（yuán）角（圖6）。

圖（tú）6 泛塞圈的裝配過（guò）程

6　應用

6.1 自泄壓閥座

API6D規定，固定球球閥的閥腔壓力不得超過兩端管線壓力的33%（表1），利用自（zì）泄壓閥座可以實現這一功（gōng）能。對於壓力等級越（yuè）低的閥（fá）門，實現自泄壓的難度越大。

表1 閥腔的最大允（yǔn）許（xǔ）超（chāo）壓值  MPa

注：38℃下閥門主體材質為A105。

普通的泛塞圈自泄壓閥座密封溝槽是開放式設計。密封時由於閥（fá）座右側受壓（yā）麵積大於左側，因此靠介質壓力產生活塞效（xiào）應，將閥座推向球體實現密封（圖7（a））。

圖7 普通泛塞圈自泄壓閥座的密封與泄壓

當閥腔超壓時，由於泛塞圈的左側壓（yā）力大於右（yòu）側壓力，因此將泛塞圈推至閥體。此時閥座右側的受壓麵積仍然大於左側的受壓麵積（jī），閥座仍（réng）將靠緊球體密封（圖7（b））。自泄壓功（gōng）能必須通過泛塞圈泄壓才能夠實現（圖7（c））。自泄壓結構的閥座（zuò）其泛（fàn）塞圈必（bì）須選（xuǎn）擇V形彈簧，因為圓（yuán）形和橢圓形彈（dàn）簧受壓後隻會將閥體與閥座越撐越緊，直到（dào）被（bèi）閥腔的壓力（lì）壓壞為止（zhǐ）。

V形彈簧的（de）泛塞（sāi）圈既要保證密封，也要實現泄壓，故其彈簧力的設計與控製顯得尤為重要。經過多次試驗，V形彈簧的（de）泛塞圈若要實現可靠的密封，反向泄（xiè）壓值通常不能（néng）低於1.5MPa。因此，表1中壓力等級為150磅級與300磅級的球閥不應（yīng）使用V形彈簧泛塞圈的閥座。針（zhēn）對自泄壓（yā）問題，給（gěi）出了三種解決方案。

（1）增大麵積差。通過增大泛塞圈與閥座的配合麵尺寸實現閥座的自泄壓（圖8（a））。泛塞（sāi）圈的內徑值需要大於閥座與球體接觸部位的尺（chǐ）寸。這（zhè）樣當閥腔超壓時，即使泛塞（sāi）圈（quān）不能（néng）泄壓，閥座左側的受壓麵積大於右側，也能推動閥（fá）座遠離球體。這（zhè）個方案的缺點（diǎn）是閥門的開啟扭矩顯著增加。實際應用（yòng）僅限於低壓閥門。

（2）增加擋塊。在閥座的（de）尾（wěi）部增加擋塊（kuài），用螺釘將擋塊與閥座連為一（yī）體（圖8（b）），使泛塞圈與閥座（zuò）可以整體移動。當閥腔超壓時（shí），雖然泛塞圈被來（lái）自閥腔的壓（yā）力推離，但最（zuì）終的作用力仍作用在閥座上，因此可以將泛塞圈與閥座作為一（yī）個整體進行受力分析。該方案的缺點（diǎn）是結構（gòu）複雜，一些小（xiǎo）口徑的閥門沒有設計空間（jiān），而（ér）且（qiě）在閥體上必須設計（jì）足夠大（dà）的（de）泛塞圈（quān）安裝倒角，防（fáng）止損壞泛塞圈的（de）密封唇口。

（3）封閉式溝槽。采用封閉式溝槽，結（jié）構簡單，設（shè）計緊湊，適合一些小口徑的閥門。另（lìng）外，泛塞圈選用橢圓形彈簧，可（kě）以充分利用這種彈簧的特點，彈簧（huáng）伸出泛塞圈尾（wěi）部，以便受反向壓力時保護密封唇口。缺點是拆卸不便，拆卸時容易損壞泛塞圈。

圖8 泛塞圈自泄壓閥座的解決方案（àn）

6.2 雙活塞閥座

雙活塞閥座（zuò）要求用單個閥座（zuò）即可截斷來（lái）自兩端的（de）介質，因此不具備自泄壓功能（圖9），為了方便拆裝，閥座與（yǔ）閥（fá）體均應設計足（zú）夠大的安裝倒向角。泛塞圈（quān）應用（yòng）於雙活塞閥座時通常是背靠背安裝兩組（圖（tú）9）。當圖9（a）的結構改用圓形彈（dàn）簧泛（fàn）塞圈時，要特（tè）別注意係統壓力不能超（chāo）過圓形彈簧的載荷，否則容易將圓形彈簧壓潰（kuì）。

圖9 泛塞圈在雙活塞閥座的應用

7　結語

近年（nián）來（lái），固定球球閥發展（zhǎn）迅速，其閥座的結構與形式（shì）也隨使用要求出現了很多變化（huà），正確、合理、靈活的使用泛塞圈，可以提高球閥（fá）性能，擴大球閥應用（yòng）範圍，減少生產損失。

來源：《閥門》

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