閥桿密封組件的結(jié)構(gòu)原理

閥桿密封組件是影響閥門產(chǎn)品性能的一個主要部件。閥桿密封組件與密封結(jié)構(gòu)確定以后，閥門的總體設計方可以順利地展開。

在截止閥、節(jié)流閥等許多閥門中，閥桿密封組件大體分波紋管密封結(jié)構(gòu)與填料密封結(jié)構(gòu)兩種基本類型。波紋管密封結(jié)構(gòu)的密封性能相當可靠，主要用于易燃、有毒及有腐蝕性的管路中；填料密封結(jié)構(gòu)也有很好的密封性能，并且制造方便，成本較低，在閥門 中應用十分廣泛。

（1）波紋管密封結(jié)構(gòu)

①基本類型閥桿波紋管密封結(jié)構(gòu)的類型有很多種，但從承受壓力載荷的性質(zhì)來分，只有外壓及內(nèi)壓兩種基本類型，如圖5-4所示。

波紋管密封結(jié)構(gòu)的設計應嚴格保證工作介質(zhì)不能通過閥桿或閥瓣的運動間隙向外泄漏，并且能對波紋管元件的變形方式及變形量加以限制。

圖5-4 （a）所示為外壓式密封結(jié)構(gòu)，導向套3和閥桿1分別與波紋管4的兩端焊接在一起（滾焊或氬弧焊），閥桿1的下端與閥瓣相連，上端與驅(qū)動機構(gòu)相連，導向套3通過閥蓋或支架緊壓在閥體上密封面 上，固定不動，閥桿則做軸向運動。因此，波紋管內(nèi) 腔與大氣相通，外腔則與工作介質(zhì)接觸，承受介質(zhì)壓力。

圖5-4 （b）所示為內(nèi)壓式，接頭7通過閥蓋或支架緊壓在閥體上密封面上，閥瓣可以上下運動，閥瓣上端與驅(qū)動機構(gòu)相連，下端可以直接制成密封面，也可以另外連接閥瓣，閥瓣和接頭分別與波紋管的兩端焊接。因此，波紋管內(nèi)腔接觸工作介質(zhì)，承受介質(zhì) 壓力，外腔則與大氣相通。

在截止閥與節(jié)流閥中，驅(qū)動機構(gòu)（傳動裝置或手輪）的輸出運動通常為旋轉(zhuǎn)運動。如果將閥桿或閥瓣直接與之相連，則波紋管元件勢必受到扭轉(zhuǎn)直至損壞。因此，為了避免波紋管元件被扭壞，在閥桿1上設有導向鍵2 [圖5-4 （a）]或在閥瓣5的上部兩側(cè)設有導向槽[圖5-4 （b）]，并應在驅(qū)動機構(gòu)與波紋管密封結(jié)構(gòu)之間設置中間運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)，使驅(qū)動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為閥桿或閥瓣的軸向運動。

波紋管的變形量即為閥芯的工作行程，如果波紋管的變形量超過元件本身的限度，將會導致密封結(jié)構(gòu)的過早損壞。因此在各種波紋管密封結(jié)構(gòu)中通常都設有變形量限制機構(gòu)，例如外壓式結(jié)構(gòu)中閥桿的軸肩位置和內(nèi)壓式結(jié)構(gòu)中接頭的凸臺高度均是常見的實例之一。也可以在驅(qū)動機構(gòu)中采用行程開關等方式對波紋管的變形量加以間接限制。

②波紋管的種類按照材料來分，有金屬波紋管和非金屬波紋管兩種。金屬波紋管的材料有不銹鋼耐酸鋼，例如 lCrl8Ni9Ti、lCrl8Nil2Mo2iT、 OOCil8NilO、00Crl7Nil4Mo3 等；銅合金，例如鈹青銅、鋅黃銅等；因科鎳合金及鋁等。非金屬波紋管的材料主要為聚四氟乙烯。

波紋管的種類按波形來分，有Q形波紋管、U 形波紋管、三角形波紋管、圓形波紋管、特殊曲線形波紋管等多種，如圖5-5示。在管道閥門中，作為密封元件使用的波紋管波形通常只用n形、u形，三角形及特殊曲線形幾種。我國目前大量使用u形波紋管，三角形波紋管及特殊曲線形波紋管使用較少。三角形波紋管主要由聚四氟乙烯車制而成，只能用于很低的工作壓力，且尚未形成系列和標準，波紋管還可以按照層數(shù)、成形方法及橫截面形狀等方法來分類。對于閥門來說，只使用其中的幾種，而且于圓形截面。

③波紋管的選擇波紋管的直徑主要根據(jù)工作壓力與結(jié)構(gòu)設計確定。選擇波紋管長度的依據(jù)是閥芯的工作行程（開啟高度），波紋管的線性位移量應等于或略大于閥芯的工作行程，即應滿足下式要求：

或” （5-11）

式中H一閥芯工作行程，mm;

/波紋管單波允許位移（或單波行程）， 根據(jù)波紋管直徑與壁厚選取，mm; n——波紋管的波數(shù)。

根據(jù)上式確定的波數(shù)，〃通常不是整數(shù)，應采用 進一法加以圓整。

波紋管的波數(shù)〃確定以后，就可以計算出波紋管的自由長度L。

對于A型波紋管：L=（rz—l）i+a+2Z

對于B型波紋管：L=（n+l）i—a+2Z

對于C型波紋管：L=咐+2Z

式中t 波距，mm;

a 波厚，mm；

I 兩端配合部分長度，mm。

④提高波紋管密封結(jié)構(gòu)承載性能的一般途徑在閥門中，波紋管密封結(jié)構(gòu)通常同時承受工作介 質(zhì)的溫度與壓力載荷的作用，而且必須具有耐蝕性能和抗疲勞負載的能力。由于波紋管元件與閥體常可選擇相同的材料，因此，對于波紋管密封結(jié)構(gòu)來說，溫度、介質(zhì)腐蝕及疲勞負載一般并不當做主要問題來看，唯有壓力載荷的作用極大地限制了閥門的使 用范圍，迫使人們?yōu)樘岣哌@種密封結(jié)構(gòu)的承載性能進行了多方面的研究。

到目前為止，這種研究工作還沒有取得理想的結(jié)果，只能說找到了提高這種密封結(jié)構(gòu)承載性能的一般途徑。

a.盡可能選擇較小直徑、較大壁厚的波紋管作為密封元件波紋管直徑愈大，耐壓力即閥門工做壓 力愈低，反之，直徑愈小，耐壓力愈高；在波紋管直徑相同的情況下，波紋管壁厚愈大，耐壓力也愈高。 因此，對于某一公稱尺寸的閥門來說，在不妨礙閥桿

或閥瓣做軸向運動，也就是說在不使波紋管內(nèi)徑受到閥桿或閥針擦傷的前提下，首先應當選擇較小直徑、較大壁厚的波紋管。波紋管內(nèi)徑與閥桿或閥瓣的相對直徑之間通常應當保持2?4mm的運動間隙為宜。另外，當較大壁厚的波紋管仍不能滿足使用要求時，可選擇雙層或多層波紋管。

b.采用鎧裝環(huán)加強波紋管密封結(jié)構(gòu)的壓力承載性能。在管道補償器中，加強的方式很多，在閥門波紋管密封結(jié)構(gòu)中，加強的方式主要為鎧裝環(huán)式，限于閥門結(jié)構(gòu)，其他方式極少采用。

鎧裝環(huán)加強的基本方式是在波紋管的波谷間或波峰內(nèi)設置一個加強環(huán)，如圖5-6所示。加強環(huán)可以是實心金屬0形圈、空心金屬〇形圈或機制T形環(huán)。 加強環(huán)設在波谷間的稱為外鎧裝加強型，加強環(huán)設在波峰內(nèi)的稱為內(nèi)鎧裝加強型。內(nèi)鎧裝加強型一般不能 采用機制T形環(huán)作加強環(huán)。加強環(huán)的材料應與波紋管材料相同，至少應當與波紋管材料具有十分相近的熱膨脹系數(shù)和耐蝕性能。

圖5~7所示高壓波紋管密封截止閥為采用鎧裝環(huán) （實心金屬0形圈加強環(huán)）加強波紋管密封結(jié)構(gòu)，提高閥門壓力承載性能的實例之一。該閥可以在17.6MPa、 400°C的放射性介質(zhì)或強腐蝕性介質(zhì)中工作。

T形環(huán)的尺寸一定要設計得合理，特別是圓角半徑的大小。如果設計得不好，就有可能擦傷波紋管， 甚至會造成波紋管的疲勞損壞。

采用鎧裝環(huán)加強波紋管密封結(jié)構(gòu)，雖然能夠提高壓力承載性能，結(jié)構(gòu)也比較緊湊，但是工藝性比較復雜，密封結(jié)構(gòu)的重量大，尤其是壓縮行程要比普通波紋管密封結(jié)構(gòu)小，這是這種加強型結(jié)構(gòu)的zui大不足之處。

c.改進波紋管焊接接頭的設計。在閥門中，波 紋管與其他零件的焊接工藝取決于焊接接頭的設計形式。波紋管為薄壁元件，與之焊接的通常是實心的軸類零件或厚壁的導向套類零件，壁厚的差異甚大。因此，要想獲得理想的焊接質(zhì)量（即盡可能高的承載性能），必須充分考慮到這種特點，合理選擇焊接接頭類型。在圖5-8所示的幾種焊接接頭類型中，前兩種采用滾焊工藝，后兩種采用氬弧焊工藝。在后兩種接頭中，注意到了等厚度焊接的設計原則。圖5-8 （c） 中，使波紋管端口翻邊，接頭上制出鋸齒形凸緣，這樣容易保證焊接質(zhì)量。圖5-8 （d）中，先使波紋管1與套環(huán)2滾焊在一起，在接頭3上制出圓弧底溝槽• 然后再將套環(huán)與接頭3用氬弧焊焊接，這樣，焊接接頭的性能更為可靠。因此，后兩種接頭的壓力承載性能高于前者是不言而喻的。

①普通填料結(jié)構(gòu)從填料斷面形狀來分，填料密封結(jié)構(gòu)一般有方形填料密封結(jié)構(gòu)與人字形填料密封 結(jié)構(gòu)兩種，如圖5-9所示。

方形填料可以是整圈的、帶45°或30°接口，而人字形填料大多是由氟橡膠、聚乙烯等材料車制或模壓而成的。

填料密封結(jié)構(gòu)無論設計得多好，都很難做到不漏，其主要原因有下面幾方面。

a. 閥門工作條件（如壓力、溫度）的不穩(wěn)定造成填料壓緊力的波動范圍較大；

b. 填料的彈性、耐磨性、抗老性等品質(zhì)達不到應有的高度；

c. 閥桿的耐磨性及耐填料的腐蝕性較差，尤其是當填料去氯離子處理不*時，對不銹鋼閥桿的腐蝕更為嚴重，同時還存在電位差腐蝕；

d. 設計不夠合理或不夠*。總之，在密封性能方面，填料密封結(jié)構(gòu)沒有波紋管密封結(jié)構(gòu)好。

填料密封結(jié)構(gòu)設計通常具有校核性質(zhì)，一般的程序是在確定閥門的公稱壓力和公稱尺寸以后選擇zui小閥桿直徑，再按確定的閥桿直徑選擇相應的填料寬度、填料函孔徑和填料函深度，zui后加以校核。

填料由于磨損和熱燒損等原因，不可避免地會出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象，在填料壓蓋的螺栓上增設波形彈簧，可保證填料壓蓋始終作用于填料上較大的壓力， 從而可防止因壓蓋螺栓松弛或填料磨損引起的外漏。

填料函的填料應在壓蓋未壓緊之前必須全部裝滿填料函，各圈填料的切口應120°交叉安裝。

②組合填料結(jié)構(gòu)圖5-10為美國Gadock公司推出的組合填料結(jié)構(gòu)示意圖，該組合填料由上、下端 編織填料環(huán)，30°高密度中凸適配環(huán)，45°低密度凹/ 凸環(huán)，30°高密度中凹適配環(huán)組成，起密封作用的是 45°低密度凹/凸環(huán)。

當填料壓蓋壓緊上端編織填料環(huán)時，上端編織填 料環(huán)將載荷傳遞給30°高密度中凸適配環(huán)，30°高密度 中凸適配環(huán)將載荷傳遞至45°低密度凹/凸環(huán)上。45° 低密度凹/凸環(huán)的外側(cè)徑向膨脹以密封填料函壁，45° 低密度凹/凸環(huán)上內(nèi)側(cè)徑向膨脹以密封閥桿，低密度石墨會填充閥桿上zui細小的缺陷并且在石墨密封上形成一個石墨層，上、下端編織填料環(huán)會抹去過剩的石墨，杯錐形設計允許多次調(diào)節(jié)。

相比傳統(tǒng)的平環(huán)套裝，錐形結(jié)構(gòu)和徑向膨脹允許其在填料的使用壽命周期內(nèi)多次調(diào)整，該組合填料將在更長的時間內(nèi)提供符合低逸散要求的服務。

來源：上海自動化儀表銷售網(wǎng)（www.40017.net）

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