超高压截止阀阀杆轴向密封力的分析

    超高压截止阀密封副材料通常为金属对金属,为了使截止阀关闭时密封严密,必须提高密封面的加工精度和粗糙度等级,并且对密封面施加非常大的轴向密封力。然而,轴向密封力并非越大越好。有一种观点认为超高压截止阀(≥300MPa)应为塑性法密封,且大都采用锥面线性密封。所谓塑性法密封,就是密封面的密封比压等于密封副软材料的屈服极限,使结合面紧密接触,利用软材料的塑变而堵塞硬件表面的不平处,形成近似理想平面,并产生等于软材料屈服极限的反力而保持密封。 

    1、密封面粗糙度对轴向力的影响

    根据只有当密封表面间的间隙小于介质分子直径时,才能保证介质不渗漏的观点,可以认为,防止流体渗漏的间隙值必须小至0.003μm。但是,即使经过精研,金属表面上的凸峰高度仍然超过0.05μm,要达到理想平面,就必须对接触面施加一定的力,这个力的大小与密封副软材料的σs及密封面的粗糙度有关。

    当密封面上的比压q<40MPa时,密封面的质量起着决定作用。例如在q=65MPa时,随着粗糙度等级的越来越高,渗透量迅速减小,也就是说在q<40MPa时,在同样一个渗漏量等级,粗糙度愈高所需要的q愈小,其轴向力越小。

    但对于σs>900MPa密封副材料,在用于300MPa等级的超高压阀时,除了从线弹性断裂力学观点出发,[σ]从强度要求考虑,Ra0.05μm以上,还要从密封机理上考虑。因此,对于σs为900MPa的超高压截止阀用密封副,其密封面粗糙度必须在Ra0.05μm以上。而对于经HIP处理的WC硬质合金密封副来说,由于其性质较脆,要增大密封面上的比压来压缩密封面上的波峰,就会使轴向力增加很大,而且会使密封副产生断裂,因此,其密封面上粗糙度必须高于Ra0105μm。只有在这个范围内,才能使用式(13)的轴向力计算式。

    2、轴向力分析

    阀杆轴向力主要取决于密封面的总作用力,阀门设计中确定密封面总作用力的关键参数是密封比压。但是在超高压截止阀的锥面线密封情况下,其轴向力Q在无介质压力关闭时所产生的密封比压q是否可以大于密封副软材料的屈服极限δs,在有介质压力关闭时的密封比压q是否一定等于δs,本文将讨论q的合适值。