1、蝶阀金属密封副结构及复合层金属密封圈的研制 http:/ 2009 年 12 月 17日 09:47 点击数：324核心提示：作者：孙晓霞 【摘要】通过对金属硬密封的调查、分析，介绍了金属硬密封密封结构形式及复合层金属密封圈的研制。 【关键字】金属密封；多位复合层；金属特点作 者： 孙晓霞 【摘 要】 通过对金属硬密封的调查、分析，介绍了金属硬密封密封结构形式及复合层金属密封圈的研制。 【关键字】 金属密封；多位复合层；金属特点 近年来蝶阀的使用已从低压供水扩展到高温、高压、耐磨损、耐磨蚀的石化、冶炼、火电、核电、城市供热系统。由于高温、高压蝶阀的可靠性尚未达到要求，高温(600-700) 场
2、合仍无合适产品可供选用。故不断改进提高蝶阀产品结构，开发、研制新型的高温、高压蝶阀密封副结构，是满足石油、化工、电力等工业市场变的唯一的途径。 1、金属密封蝶阀密封副的结构 金属密封蝶阀的密封副结构是该类阀门研究的核心，其结构优劣决定于产品的密封性能和生产成本，为此，各国都围饶密封副结构进行认真研究，现简介如下。 (1) C 形圈结构( 图略)，C 形圈内设有弹簧。 (2) O 形圈结构(图略)。该圈采用奥氏体不锈钢制成，有的生产厂还在圈内充气压，以防止 0 形圈压扁，其充气方法是把固体粉剂预充入不锈钢管内，待焊接成密封圈时受热气化而成。 (3)勾形圈结构(图略)。 (4) Posi-Seal
3、，国际公司密封结构，见图 1。 标准密封型(-30+230 )：阀门的密封设计有两个部件，一个密封环和一个支承环。标准密封件是具有惰性的低摩擦和耐磨弹性材料(TFE)制成。支承环是弹性好的氟橡胶(Viton)丁睛橡胶(Buna-N)制成，图 1(a)。 凤凰 III 防火密封型 (-30+230 )：不同于其它“防火型 ”阀，凤凰 III 型并不靠火灾全部烧毁软密封或者触发一个有弹簧承载的机构来达到全部金属与金属接触密封，见图(b)。密封型(815 )：其特点是全部用金属密封的一个 316SS 密封环，它是以机械方式锁紧在阀体“T“槽内。该环的半径和直径比啮合在阀盘的表面小，在阀门被关闭时伸展
4、，最大静密封时，单位负载都集中在密封边上。当达到系统压力，密封就更紧密，这是因为系统压力进入“T”槽内有助于密封。 深冷紧密密封型(-225+150 )：由惰性的低摩擦弹性物制成的密封环，以机械锁紧方法施加预负载，在上游侧的压力超过预负载时，系统压力即进入槽内，见图 1(d)。密封环的几何形状使作用在盘上的力被放大，因而压力增大，也就是密封力增加。 （5）上海耐莱斯-詹姆斯伯雷密封结构，见图 2。 （6）DHV 公司密封结构，见图 3。 （7）芬兰耐利公司密封结构，见图 4。 （8）美国 K-20K 蝶阀密封结构，见图 5。 K-LOK 金属阀座用于侵蚀性介质和较高的温度时，要采用回旋状 31
5、6 不锈钢阀座，中间再用 316 不锈钢丝圈加强。这个回旋形截面可以弥补由于温度变化引起的位置伸缩。钢丝圈提供关闭刚性并使开启方便。金属座的最高压力是 20Kg/cm2，温度为 538，它的允许泄漏率在全压下是 5ml/min。 (9)美国科斯顿公司密封结构：三偏心蝶阀适用于大口径蝶阀。 (10) Vanessa 密封结构 见图 7。三向偏心常规的高性能蝶阀是双偏心( 偏离管道中心线)和( 偏离密封面中心线)所示的那样。目的是减少阀座与密封体之间大约 20%行程的摩擦。Vanessa 增加了一个独特的主偏心( 倾斜的锥形)不仅是凸轮作用，而且消除了阀门行程中密封件和阀座之间的所有接触摩擦，从而
6、延长了阀门寿命。该 Vanessa 密封结构的阀座是圆形的，带有一个升起的锥形，由于阀座密封面向上升起，固体物不易在那里积聚。密封圈虽然镶嵌在阀板上，但没有与之固定，它能在径向自由移动。密封圈的这种特殊形状使它具有很强的弹性。 2、复合层金属密封圈的研制 复合层金属密封圈是在高温、高压作业下的密封件。工作状态，由于在高温高压下受热水、气流冲刷、腐蚀。因此，要求该密封件具有耐热、耐压、耐冲刷，较强的机械强度、自润滑的耐磨性及良好的密封性。 高温高压蝶阀复合层金属密封圈是在剖析国外复合层金属密封圈的基础上定型的：即一层金属板，一层非金属板，复合而成。如图 8 所示： 2.1 材料的选择 由于金属密
7、封蝶阀其使用温度一般在 450以下，故复合层金属密封圈应满足如下条件： 抗拉强度不小于 18MPa； 耐 450高温且密封性能良好； 具有较小的耐摩擦性。为满足蝶阀金属密封圈的要求，北京市制动密封材料厂，经过试验，筛选出研制复合层金属密封圈的最佳原材料如下。 (1)石棉 石棉具有较高的耐温性，较好的机械加工性。为了满足其抗拉强度的需求，该复合层金属密封圈采用了长纤维类温石棉。温石棉矿物组成为含水硅酸镁，分子式为3Mg02Si022H20，它含有 2 分子的结晶水，其含量一般大于 12%，温石棉的化学成份见下表。石棉的耐热性关系到金属密封圈的耐湿性。且湿石棉的溶点高达 1520。石棉具有较高的吸
8、水性，加热至 200以上，也不会失尽表面水份。尽管表面水份的失掉会使强度降低，但吸水后仍可复元。在湿石棉结构中，即含有结晶水，又含有化合水，结晶水在 450-500析出，化合水在 510才缓缓逸出，至 700全部逸出。石棉和金属材料复合后，更能提高其耐热性，故复合层金属密封圈在 450以下工作是有保证的。 (2)石墨 鳞片石墨是碳的结晶体，其晶体结构属六方晶系，呈层状结构，有金属光泽质软，莫氏硬度 1 2，比重 2.22.3，其容量一般为 1.51.8，具有良好的耐高温性能，最高湿度可达 1600，同时，具有耐各种腐蚀、导电、导热、润滑，可塑能性能，将其加入石棉板中可提高石棉板的耐热性及自油滑
9、性。 (3)石棉石墨橡胶板 石棉石墨橡胶板是蝶阀复合层金属密封圈的非金属层用材。采用优质长纤维石棉与石墨橡胶及其它配合剂，经辊轧而成，具有较高的抗拉强度，良好的压缩回弹及密封性能，其性能要求如下：横向拉力：1.3 2.3Mpa ； 烧失量(%)：750800，1 小时小于28； 压缩率 (%)：125；回弹率(%)：4080；密封性：温度 T4404500C；压力1112MPa 保持 30 分钟不掉压，不漏。 (4)金属板选用优质的不锈钢板（1Cr18Ni9Ti） 。该钢板的抗拉强度大于 500MPa，当钢板与铸铁动摩擦时，在有润滑剂的情况下，摩擦系数为 0.050.15，该金属板完全能满足高
10、温高压蝶阀的设计要求。 (5)胶粘剂蝶阀复合层金属密封圈能否承受高温的关健还是胶粘剂。通过试验得出，所选用的胶粘剂必须具备以下特点：石棉石墨板和不锈钢板具有良好的粘接能力；具有较高的耐热性，且在高温下不会丧失粘接能力；经粘接硫化后的金属密封圈具有较高的抗拉强度。 通过对多种胶粘剂的试验对比，发现硅类胶粘剂其耐湿性虽能满足要求，但硫化后其柔软性较差，脆性大，不适合作复合层金属密封圈的胶粘剂。一般所有机胶粘剂，虽具有较好的低湿粘接性能，但在高温 250下几乎丧失粘接能力，也不适合作复合金属密封圈的胶粘剂。唯有结构型改性胶粘剂，能满足蝶阀复合层金属密封圈的要求。该结构型改性胶粘剂分解温度为 423，
11、它不但具有耐高温的基体，而且加入改型配合剂使其在固化过程中获得紧凑的结构，密实的胶接层，并起到阻止氧化裂解反应的进行，其机理: RR+02ROO+R 链不发 R+O2ROO ROO+RRROOH+R 链增长 ROO+ R00ROOR+O2 链终止 由上述可知，由于加入改性配合剂使其与氧化裂解所产生的自由基，生成一种稳定的网状大分子结构，终止链的反应，阻止氧化裂解的发展，有较好的耐冲刷性。 2. 2 工艺路线 工艺流程如图 9 所示。 热压成型工艺条件不同的胶粘剂具有不同的固化条件，同一种胶粘剂，粘接不同的物质，其固化条件也不同成型工艺，其温度，压力、时间的选择： 温度：升高成型温度时，会提高胶
12、粘剂的流动性，有利于漫流扩散，提高胶粘强度，提高效率。但温度过高，胶粘剂会分解，降低或丧失胶粘强度； 压力：增大成型压力时，有利于达到最大的接解面积。而且有利于胶粘剂分子与被粘物分子的接近，提高它们之间的相互作用，减少空气气波，提高粘接力。但压力过大，会降低密封圈的压缩回弹性能，降低制品的密封持性； 时间：粘结强度随成型时间的延长而增加，但时间过长，会降低生产效率，也会引起制品的非金属的后期老化;在研制中，通过反复实验，得出蝶阀复合层金属密封圈热压固化的最佳条件为:温度:130 160 ;压力:5MPa10.0 MPa;时间:5Omin 100min 。 由于蝶阀金属密封圈在使用过程中，受高温、高压及水流、气流的冲刷、腐蚀，故要求该产品具有多种优良的物理机械性能，主要包括较高的抗拉强度，较高的耐高温，高压性能和较好的密封性能。目前，国内尚无检验该产品的试验方法，该产品的各种性能只能由优质的原材料和合理的加工工艺来保证.其耐腐蚀，抗拉强度由 1cr18Ni9Ti 不锈钢板来保证，耐高温，高压及密封性由金属板、石棉石墨板和耐高压的胶粘剂来保证。金属密封圈复合好，经机加工成椎面(椎面为密封工作面 )后，在金属板之间的石棉石墨橡胶板鼓出金属板，形成局部软密封，发挥了石棉石墨板的作用，达到了良好的密封效果，这也是该金属密封圈具有优良密封的机理
