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                  橡胶O形密封圈在球阀中的应用分析

                  橡胶O形密封圈在球阀中的应用分析
                      球阀作为阀门压力管道、压力溶器、锅炉等设备中主要部件之一,用于控制介质流通或切断,它广泛应于天然液化气、电力、轻工、建筑、冶金等各个行业领域。橡胶O形密封圈(以下简称O形圈)作为一种低廉成本,适用于装在各类阀门中,在规定的温度、压力、以及不同的液体和气体介质中,于静止或运动状态下起密封?;ぷ饔?。而当球阀处于关闭位置时,应达到规定的密封要求(或渗漏量要求),设计中选用O形圈作密封元件,能成功阻止渗漏,达到完全密封效应,特别是对于球阀在启闭过程中,阀杆做旋转运动时,O形圈的运动摩擦力很小,选用O形圈作密封元件,实现零泄漏要求。所以O形圈是球阀中应用最普遍、密封效果最佳的密封元件之一。

                  1 应用范围
                      球阀是一种在不同工况环境下,可通过手动驱动装置、气动驱动装置或电动驱动装置实现启闭的阀门,在球阀生产制造中,O形圈又是一种适合多种密封形式的密封元件,它的动态密封和静态密封在各类球阀的密封性能中发挥重要的作用。以两片式球阀为例,如图1所示。O形圈在端面上和阀杆中能有效阻止各类介质的泄漏,确保阀门系统正常运转。O形圈安装在两端面上它属静态密封效果,安装在阀体中孔与阀杆上属动态密封效果。两种密封效果都完全满足球阀的设计需求。

                  (1)静态密封
                      O形圈属于挤压密封,挤压型密封结构的基本特点依靠密封件发生弹性变形、在密封接触面上造成接触压力,当接触压力大于被密封介质的内压时,则起到密封作用,反之导致渗漏。两片式球阀的左、右端体为金属对金属接触,属于静态密封结构,为了减小或消除它们之间的密封面间隙,在设计时选择O形圈作密封元件,当介质压力较小时呈静止状态,所需密封力很小,此时靠装配时的预紧力在O形圈弹力的作用下,即可保证左、右端体密封;当介质压力不断升高时,密封比压也随着增大,O形圈骤然膨胀,此时O形圈有效地阻止了两端缝隙间的泄漏点,球阀的密封性能因而得到保证。

                  (2)动态密封
                      当球阀作启、闭动作时,无论采用何种驱动方式,阀杆都要作旋转运动,为防止介质通过中孔间隙窜出,在阀杆处勾一凹槽嵌入O形圈,虽然阀杆作往复转动90°,但由于O形圈的摩擦小和良好的自润滑性,它们相互配合起到良好的密封效果。为了保证阀座与阀芯形成良好的密封副,同样在阀座内加工一凹槽,把O形圈安装其中,当阀腔介质压力升高时,在弹簧力的推动下,阀座向阀芯产生位移,在O形圈高弹性能的作用下,保证了管道内腔的密封性,此时O形圈在管道中启动态密封效果,前两种结构形式中,O形圈同属于动态密封结构。

                  (3)零泄漏密封
                      球阀的密封结构分为金属密封和软密封两种结构型式,相对于软密封结构而言,金属密封结构的阀门泄漏率较高,按API阀门泄漏等级规定,如果金属密封结构的泄漏等级要达到Ⅵ(相当于零泄漏量),温度要求小于200℃以下,此时不管是静态密封,还是动态密封的球阀选用O形圈作密封件,完全满足各项设计参数。对于燃气球阀来说,为了防止气体介质通过各种渠道渗漏,造成易燃易爆,在各泄漏点处嵌入O形圈,能有效地防止阀体渗漏的间隙值小于0.001μm,从而实现零泄漏,所以它特别适用于需要用气体、粉尘等介质的特殊工况场合。

                  3 材料选用
                      O形圈材料种类繁多,有氟橡胶(FKM)、丁腈橡胶(NBR)和硅橡胶(VMQ)、乙丙橡胶(EPDM)、天然橡胶(NR)等等,在球阀中常用的O形圈材料一般采用氟橡胶、丁腈橡胶和硅橡胶等,对于要求温度高的球阀,比如大于等于200℃以上的球阀,建议选用其它形式的密封元件。球阀中应用的O形圈材料不但与温度、介质、压力有关,而且受使用工况环境和各项综合因素的影响而产生相应的变化。

                  (1)温度
                      温度是影响O形圈使用范围的主要因素之一,在球阀设计过程中,选用的O形圈适用温度一般为-29~180℃,高温或低温工况的球阀,要另外选择特殊合成材料为能料制成的密封件,才能达到密封性能的使用要求。
                      在常用的橡胶材料中,参阅标准中的规定。氟橡胶具有优越的耐高温性能,普通氟橡胶工作温度范围-25~240℃,而特殊牌号的全氟醚橡胶可承受300℃的恒温或340℃的瞬间高温而不发生硬化和膨胀失效。因此,对于其它工况高温下使用的球阀,可适当考虑选用全氟醚橡胶。
                      橡胶在低温工况下使用会脆化而失去密封效果作用,所以,低温球阀一般不推荐使用。硅橡胶是橡胶材料中耐低温能力最强的材料之一,虽然它可达到-100℃,但它的拉伸强度低,抗磨损性能差。一般不能用于旋转动密封部位。所以,对于低温工况的球阀不适合选用,从有关资料得知,硅橡胶的使用温度为-60-220℃,它在保持硅橡胶耐温性能的基础上,增强了耐化学性能和机械力学性能。

                  (2)介质
                      球阀作为阀门中五大阀之一,适用于不同工程行业。针对不同的介质,选择合适的橡胶材料和适当能料的O形圈是非常必要的。如氟橡胶O形圈具有抗燃性和良好的气密性、耐臭氧性及优良的抗腐蚀性。硅橡胶O形圈更适用于粉尘、颗粒介质的球阀。丁腈橡胶O形圈对耐油、酸碱、磨、化学侵犯等环境中有良好的密封、减震作用。因此,酸性介质、油、水、气、氧化性和还原性等其它混合化学的介质在球阀中都可选择合适的O形圈。

                  (3)压力
                      根据O形圈的化学原理;O形圈的硬度一般为邵氏50~90,当阀门压力管道较低时,为节约环保,应优选硬度为邵氏50~70的O形圈,当阀门压力管道较高时,为安全角度考虑,应推荐选取硬度为邵氏70~90的O形圈,当管道压力大于等于150LB或1.0MPa时,应把O形圈嵌入在金属凹槽内,防止O形圈随着压力的变化而被挤压变形。另外,高压时,O形圈易发生破损。即O形圈在高压的作用下,经过长时间高压气体分子渗入内部,当O形圈外部压力瞬间降低时,内部高压气体分子就容易急速扩散而撑破O形圈,如阀座处的密封O形圈,当球阀作旋转开启时,阀腔内部压力瞬时泄放介质,会发出巨大的声音,此时,取出O形圈就发现已破裂,说明球阀密封性能已失效。由此可见,在此情况下,阀座密封建议使用致密封性高的O形圈,或适时更换O形圈密封,才能确保阀门管道的正常工作。

                  4 失效分析及处理方法
                      通过长期的使用和试验实践,引起O形圈失效的综合因素有三种。

                  (1)与介质不相容
                      在日常球阀产品设计中,所选的O形圈与流道介质不相溶,会造成腐蚀、溶胀变形和断裂,出现这样的问题,将严重影响球阀产品质量。比如:硝酸、硫酸和氯化钠等酸碱性浓度大的介质,在球阀设计时,就要慎重考虑O形圈的应用是否合适。

                  (2)疲劳失效
                      在燃气阀门管道使用的三片式燃气防火球阀中。如果球阀的压力为4.0MPa,而使用工况的实际压力为6.3MPa,把球阀安装在压力管道中运行一段时间发现支承圈处的O形圈密封失效,经分析,由于实际工作压力使用范围大于管道系统波动范围,而且它们相互之间的压力非常相近,启闭频率高,致使O形圈往复收缩,O形圈达到规定寿命极限。导致O形圈疲劳失效,为了保障管道系统工作的正常动转,必须制订定期更换O形圈的时间表或减少球阀的启闭次数。

                  (3)永久变形失效
                      应用在球阀上的所有密封件材料中,橡胶O形圈比聚四氟乙烯(PTFE)和柔性石墨的硬度相对而言较低,但它的回弹性比前两者高。若把它应用在高温高压的阀门管道中,橡胶受热受压扭曲,极易产生永久变形失效。如果球阀产品应用在低压天然煤气管道中,选取65邵氏硬度的O形圈作密封元件,产品运行若干时间段后,取出阀座密封处的O形圈发现它表面虽然光滑,但断截面已变为方形沟槽状,毫无回弹性,造成严重密封失效。此时若更换80以上邵氏硬度的O形圈作阀座密封元件,在同等条件下,O形圈的密封性能完好。

                  5 结语
                      在球阀设计研发中,选用O形圈作密封元件时,一定要综合考虑其温度、介质和压力等不同工况及工作环境变化对O形圈的影响,其次,O形圈的位置放置、结构型式、安装和维护也不可忽视。只有这样,才能延长O形圈的使用寿命,提高O形圈的使用率,确保球阀产品在压力管道中正常运行。

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