3．閥門密封形式及原理
閥門作為管道中控制元件，不論依何種結(jié)構(gòu)形式，在管道中所起的作用都是來(lái)控制和調(diào)節(jié)管道中介質(zhì)而存在，因此對(duì)閥門的密封副有著特殊的要求。
3．1 密封形式
密封有非接觸密封和接觸密封之分。
密封面問(wèn)預(yù)留固定的裝配間隙，無(wú)需密封壓力壓緊密封面的各類密封統(tǒng)稱非接觸密封。
借密封力使密封副互相靠緊、接觸并嵌入以減少或消除間隙的各類密封統(tǒng)稱為接觸密封。
針對(duì)閥門密封面，填料與閥桿、法蘭密封均為接觸密封。以密封面的性質(zhì)狀態(tài)可分為四種(見(jiàn)表1)。
| 原理圖 | 特點(diǎn) | |
| 按 觸 型 密 分 |
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密封面將軟質(zhì)墊片或填料壓緊，使之產(chǎn)生彈塑性變形，以填塞密封面上面的水平，消除間隙 密封面上接觸帶較窄，比壓分布均勻 對(duì)加工精度要求不高，成本低廉，但乃拆性次數(shù)及壽使均較低 |
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由于兩個(gè)曲率不同的精密成型的表面相接觸，構(gòu)成了閉合的接觸線般的圓，靠接觸線上材料的微小彈性變形率來(lái)填塞密封面圓的水平之處。要求制造精度高 密封帶極窄彈性變形量很小，補(bǔ)充能力小，耐多次裝拆，造于高壓、高溫、重負(fù)荷密封。 |
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精密研磨的平面，圓柱面或錐面靠外力壓緊密接，不產(chǎn)生明顯的彈性和塑性變形。密封間隙主要取決于研磨精度，以工件尺寸大小不同，密封間隙可從分子膜厚至5μm量級(jí) |
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密封間隙受兩種因素互相制約共同調(diào)節(jié)密封的工作間隙 根據(jù)控制間隙的力的性質(zhì)分靜壓式和動(dòng)壓式，此外還有外控制式（利用調(diào)節(jié)閥原理調(diào)節(jié)間隙）和熱脹冷縮控制式等 密封間隙在0.5～10um范圍以內(nèi)。還用于高壓、高速。尚可實(shí)現(xiàn)氣體潤(rùn)滑 |
接觸密封副相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有動(dòng)密封和靜密封之分。一般來(lái)說(shuō)接觸密封比較嚴(yán)密，因受密封副摩擦磨損的限制，接觸密封僅適用于密封面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度比較低的場(chǎng)合。接觸密封文可分為彈性密封和非彈性密封兩類。彈性體密封就是利用高分子彈性材料制成的，利用密封材料的彈性、塑性變形補(bǔ)償、減少或消除間隙。密封可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，價(jià)格低廉，但耐熱的范圍較窄，壽命相比較低，通常用作較低參數(shù)的密封。
非彈性密封的密封面是用金屬、石墨等非彈性材料制成的，應(yīng)用于微量彈性變形及磨損補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)加工精度要求高，價(jià)格較高、耐熱、耐寒等性能優(yōu)良，壽命較長(zhǎng)，通常多應(yīng)用于高參數(shù)密封。
3．2 密封原理
密封的功能是阻止泄漏，造成泄漏的因素很多，但主要有兩個(gè)，一是密封副之間存在著間隙；二是密封副的兩側(cè)存在著壓差。前者是影響密封性能的主要因素。密封的基本原理是通過(guò)不同的途徑阻止介質(zhì)的泄漏。
對(duì)密封泄漏量的影響，首先可用毛細(xì)管原理進(jìn)行解釋。多項(xiàng)研究結(jié)果表明：密封副周邊單位長(zhǎng)度上的泄漏量與毛細(xì)管直徑(φd)的四次方、液體的密度、密封副兩側(cè)間的壓差的乘積成正比。與密封面的寬度成反比。泄漏量的大小與流體的性質(zhì)有關(guān)。
根據(jù)密封副之間的間隙小于流體分子直徑才能保證流體不泄漏的觀點(diǎn)，可以認(rèn)為，防止液體泄漏的間隙必須小于0.003μm，但是即使經(jīng)過(guò)精細(xì)研磨，金屬表面粗糙度超過(guò)O.1μm，還是比水分子直徑大30倍。由此數(shù)據(jù)可見(jiàn)，降低密封面粗糙度的方法來(lái)提高密封性能是難以做到的，但加大管道密封比壓，將密封面上微觀高峰壓平，使其產(chǎn)生塑性變形，使間隙小到流體難于通過(guò)才能保證密封。
3．2．1液體的密封性
液體的密封性決定于液體的物理性質(zhì)。對(duì)其密封要由表面張力和液體的粘度來(lái)確定。
根據(jù)毛細(xì)管原理進(jìn)行解釋，但毛細(xì)管充滿氣體時(shí)，根據(jù)液體與管壁形成的切角度數(shù)，表面張力可能將液體引入毛細(xì)管內(nèi)或?qū)σ后w進(jìn)行排斥，形成切角。因此相切度數(shù)就是測(cè)定被液體侵濕度的量值，它表明毛細(xì)管壁或液體分子的引力與液體本身分子間引力兩者的強(qiáng)度關(guān)系。
當(dāng)泄漏的毛細(xì)管注滿介質(zhì)時(shí)，毛細(xì)管壓力變?yōu)榱悖怯山橘|(zhì)所帶來(lái)的氣泡注滿水柱。雷諾通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：用同一種流體在不同直徑A管內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，所得到的臨界流速值是各不相同的；用不同的流體在同一直徑的A管中進(jìn)行試驗(yàn)，所得到的臨界流速也是各不相同的。這就說(shuō)明流體的流動(dòng)狀態(tài)不僅與流速有關(guān)系，還和流體的種類、管子的直徑有關(guān)。而進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論流體的種類和管子的直徑如何變化，流體的密度ρ和粘度μ、管子的直徑d、流體的臨界流速vc，這四個(gè)物理按
組合成無(wú)量綱數(shù)Re而且約為2320。
Re稱為臨界雷諾數(shù)。Re在2320～4000是層流向紊流轉(zhuǎn)變的過(guò)渡區(qū)。
在生產(chǎn)實(shí)踐中，用減小毛細(xì)管泄漏的直徑來(lái)達(dá)到密封。一是用提高密封副的平整度和減少表面所需的粗糙度來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是加大密封壓力，使密封副表面產(chǎn)生塑性變形阻止介質(zhì)的通過(guò)。
3．2．2氣體密封性
氣體的密封性是由氣體的粘性和氣體分子大小決定的，如果毛細(xì)管直徑較大，泄漏介質(zhì)成紊流，毛細(xì)管直徑減小，雷諾數(shù)降低到臨界值以下，泄漏介質(zhì)將變成層流。根據(jù)泊松公式，泄漏介質(zhì)流態(tài)與氣體的粘稠度和毛細(xì)管的長(zhǎng)度成反比，與驅(qū)動(dòng)力和毛細(xì)管的直徑成正比，當(dāng)毛細(xì)管直徑降低到氣體分子平均自由程度的相同數(shù)量級(jí)時(shí)，流態(tài)就失去其密集特性成散發(fā)，通過(guò)塑性變形使毛細(xì)管尺寸降低到氣體分子以下，即使這樣，氣體的流動(dòng)也不會(huì)停止，因?yàn)闅怏w可以通過(guò)固體金屬壁擴(kuò)散。這也是我們所做閥門用水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)而不是用氣體作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的原因，也進(jìn)一步的說(shuō)明了氣體做密封試驗(yàn)要比液體嚴(yán)得多。
3．2．3閥門密封副
閥門密封副是指閥座與關(guān)閉件相互接觸進(jìn)行關(guān)閉的部分。由于密封副在關(guān)閉過(guò)程中受到磨損，密封性能隨著使用而降低。在使用過(guò)程中，金屬密封面易受夾入介質(zhì)和磨損顆粒的影響，還受到?jīng)_刷、腐蝕和氣蝕的損害。如果磨損顆粒比表面的不平整度大，在密封磨合時(shí)期表面精度就會(huì)變壞。想反，假如磨損顆粒比表面的不平整度小，在磨合時(shí)期，相對(duì)比較粗糙的表面就會(huì)改善。因此磨損顆粒的大小不僅取決于材料和工況，還取決于介質(zhì)的潤(rùn)滑性和對(duì)密封面沾染腐蝕的介質(zhì)情況。
密封件應(yīng)當(dāng)選用能抗腐蝕，耐沖刷和抗磨損的材料。如果不能滿足其中的一個(gè)條件那么這種材料就不應(yīng)當(dāng)適合做密封面材料。
4．結(jié)論
綜上所述，影響閥門密封性能的因素很多，也很復(fù)雜，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)介質(zhì)的物理性質(zhì)，主要包括溫度、粘度、親水性等。
(2)密封副的結(jié)構(gòu)，由于密封副不是絕對(duì)剛性的，它在密封力作用下、工況環(huán)境影響下，結(jié)構(gòu)尺寸必然會(huì)發(fā)生變化，從而改變密封副之間的相互作用力使密封性能降低。
(3)密封副材料，主要表現(xiàn)在密封副材料的選擇和匹配。
(4)密封比壓，比壓是由閥前和閥后的壓力差及外加力決定的。比壓直接影響密封性、可靠性和使用壽命。
(5)密封措施，根據(jù)密封泄漏影響的因素和泄漏基本原理；密封副之間存在著間隙，密封副兩側(cè)存在著壓差。
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