如何提高阀门的防泄漏能力 阀门密封性原理解析
▲阀门泄漏事故
阀门泄露已经成为装置中主要泄漏源之一，因此提高阀门的防泄漏能力至关重要。 前些日子，在小七的刨根问底之下，终于找到了解决阀门泄露的“方法”。原来，防止阀门泄漏，必须掌握阀门各密封部位阻止介质泄漏的基本知识——阀门密封，这个才是重中之重。
阀门密封性原理
4 大 要 点
密封就是防止泄漏，那么阀门密封性原理也是从防止泄漏研究的。
造成泄漏的因素主要有两个，一个是影响密封性能的最主要的因素，即密封副之间存在着间隙，另一个则是密封副的两侧之间存在着压差。
阀门密封性原理也是从液体的密封性、气体的密封性、泄漏通道的密封原理和阀门密封副等四个方面来分析的。
1.液体的密封性
液体的密封性是通过液体的粘度和表面张力来进行。当阀门泄漏的毛细管充满气体的时候，表面张力可能对液体进行排斥，或者将液体引进毛细管内。这样就形成了相切角。当相切角小于90°的时候，液体就会被注入毛细管内，这样就会发生泄漏。
发生泄漏的原因在于介质的不同性质。用不同介质做试验，在条件相同的情况下，会得出不同的结果。可以用水，用空气或用煤油等。而当相切角大于90°时，也会发生泄漏。
因为与金属表面上的油脂或蜡质薄膜有关系。一旦这些表面的薄膜被溶解掉，金属表面的特性就发生了变化，原来被排斥的液体，就会侵湿表面，发生泄漏。针对上述情况，根据泊松公式，可以在减少毛细管直径和介质粘度较大的情况下，来实现防止泄漏或减少泄漏量的目的。
2.气体的密封性
根据泊松公式，气体的密封性与气体分子和气体的粘性有关。泄漏与毛细管的长度和气体的粘度成反比，与毛细管的直径和驱动力成正比。当毛细管的直径和气体分子的平均自由度相同时，气体分子就会以自由的热运动流进毛细管。
因此，当我们在做阀门密封试验的时候，介质一定要用水才能起到密封的作用，用空气即气体就不能起到密封的作用。
即使我们通过塑性变形方式，将毛细管直径降到气体分子以下，也仍然不能阻止气体的流动。原因在于气体仍然可以通过金属壁扩散。所以我们在做气体试验时，一定要比液体试验更加的严格。
3.泄漏通道的密封原理
阀门密封由散布在波形面上的不平整度和波峰间距离的波纹度构成粗糙度两个部分组成。在我国大部分的金属材料弹性应变力都较低的情况下，如果要达到密封的状态，就需要对金属材料的压缩力提更高的要求，即材料的压缩力要超过其弹性。
因此，在进行阀门设计时，密封副结合一定的硬度差来匹配。
4.阀门密封副
阀门密封副是阀座和关闭件在互相接触时进行关闭的那一部分。金属密封面在使用过程中，容易受到夹入介质，介质腐蚀，磨损颗粒，气蚀和冲刷的损害的。
比如磨损颗粒，如果磨损颗粒比表面的不平整度小，在密封面磨合时，其表面精度就会得到改善，而不会变坏。
相反，则会使表面精度变坏。因此在选择磨损颗粒时，要综合考虑其材料，工况，润滑性和对密封面的腐蚀情况等因素。如同磨损颗粒一样，我们在选择密封件时，要综合考虑影响其性能的各种因素，才能起到防泄漏的功能。
因此，必须选择那些抗腐蚀，抗擦伤和耐冲刷的材料。否则，缺少任何一项要求，就会使其密封性能大大降低。
影响阀门密封的主要因素
4 种 要 素
影响阀门密封的因素很多，主要有以下几种：
1.密封副结构
在温度或密封力作用的变化下，密封副的结构就会发生变化。而且这种变化会影响和改变密封副相互之间的作用力，从而使阀门密封的性能减小。
因此，在选择密封件时，一定要选择具有弹性变形的密封件。同时，也要注意密封面的宽度。原因在于密封副的接触面不能完全吻合，当密封面宽度增加，就要加大密封所需要的作用力。
2.密封面比压
密封面的比压大小影响着阀门密封性能大小和阀门的使用寿命。
因此，密封面比压也是非常重要的一个因素。在相同的条件下，比压太大会引起阀门的损坏，但比压太小酒会造成阀门泄漏。因此，需要我们在设计时要充分考虑到比压的合适度。
3.介质的物理性质
介质的物理性质也影响到阀门密封性能。这些物理性质包括温度，粘度和表面的亲水性等。
温度变化不仅影响着密封副的松弛度和零件尺寸的改变，还与气体的粘度有着密不可分的关系。气体粘度随着温度的升高或降低而增大或减小。
因此，为了减少温度对阀门密封性能的影响程度，我们在进行密封副设计时，要把其设计成弹性阀座等具有热补偿性的阀门。
4.密封副的质量
密封副质量主要是指我们要对材料的选择，匹配，制造精度上进行把关。比如，阀瓣与阀座密封面很吻合，能提高密封性。环向波纹度多的特点，是其迷宫密封性能好。
阀门泄露在生活、生产中十分普遍，轻则会造成浪费，或给生活带来危险，如自来水阀门泄露，重则导致严重后果的发生，如化工行业的有毒、有害、易燃、易爆及腐蚀性介性质的泄漏等，严重的威胁人身安全、财产安全和环境污染的事故。
阀门密封形式
2 大 形 式
密封件在阀门中也是十分关键的部件。阀门的密封性能是指阀门各密封部位阻止介质泄漏的能力，它是阀门最重要的技术性能指标。
阀门的密封部位有三处：
? 启闭件与阀座两密封面间的接触处;
? 填料与阀杆和填料函的配合处;
? 阀体与阀盖的连接处。
其中前一处的泄漏叫做内漏，也就是通常所说的关不严，它将影响阀门截断介质的能力。对于截断阀类来说，内漏是不允许的。
后两处的泄漏叫做外漏，即介质从阀内泄漏到阀外。外漏会造成物料损失，污染环境，严重时还会造成事故。对于易燃易爆 、有毒或有放射的介质，外漏更是不能允许的，因而阀门必须具有可靠的密封性能。
解决密封问题不成轻，阀门跑、冒、滴、漏现象，大多数问题都发生在这里。下面我们将了解一下阀门动密封、静密封问题。
NO1：动密封
阀门动密封，主指阀杆密封。不让阀内介质随阀杆运动而泄漏，是阀门动密封中心课题。
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1.填料函形式
阀门动密封，以填料函为主。填料函基本形式是：
? 压盖式
这是用最多形式。统一形式又能许多细节区分。例如，从压紧螺栓来说，可分T形螺栓(用于压力≤16千克/平方厘米低压阀门)、双头螺栓和活节螺栓等。从压盖来说，可分整体式和组合式。
? 压紧螺母式
这类形式，外形尺寸小，但压紧力受限制，只使用于小阀门。
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2.填料
填料函内，以填料与阀杆直接接触并布满填料函，阻止介质外漏。对填料有以下要求：
? 密封性好
? 耐侵蚀
? 磨擦系数小
? 顺应介质温度和压力
经常使用填料有：
? 石棉盘根：石棉盘根，耐温文耐侵蚀性能都很好，但零丁
使用时，密封效果欠安，总是浸渍或附加其他材料。油浸石棉盘根：它基本结构形式有两种，一种是扭制，另外一种是编结。又可分圆形和方形。
? 聚四氟乙烯编织盘根：将聚四氟乙烯细带编织为盘根，有极好耐侵蚀性能，又可用于深冷介质。
? 橡胶O形圈：低压状态下，密封效果优秀。使用温度受限制，如自然橡胶只能用于60℃。
? 塑料成型填料：一般做成三件式，也可做成其他外形。所用塑料以聚四氟乙烯为多。
此外，例如，250℃蒸气阀门中，用石棉盘根和铅圈交替迭合，漏汽情况就会减轻；有阀门，介质经常变换，如以石棉盘根和聚四氟乙烯生料带配合使用，密封效果便好些。为减轻对阀杆磨擦，有场所，可以加二硫化钼(M0S2)或其他润滑剂。
▲发生泄漏时
对新颖填料，正进行着索求。例如用聚丙烯腈纤维经聚四氟乙烯乳液浸渍，又经预氧化后，模具中烧结压制，可以到密封性能优良成型填料；又如用不锈钢薄片与石棉制成波形填料，可耐高温、高压与侵蚀。
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3.波纹管密封
化学工业和原子能工业迅速成长，易燃、易爆、剧毒和带放射性物资增多，对阀门密封有了更严酷要求，有场所已没法使用填料密封，发生了新密封形式－波纹管密封。这类密封不需填料，也叫无填料密封。
波纹管两头，与别零件焊死。当阀杆升降时，波纹管伸缩，波纹管自己不漏，介质便没法泄出。为保险起见，往往采用波纹管与填料两重密封。
NO2：静密封
什么是静密封呢?
???静密封通常是指两个静止面之间的密封。密封办法主要是使用垫圈。
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1.垫圈材料
? 非金属材料：如纸、麻、牛皮、石棉制品、塑料、橡胶等。
纸、麻、牛皮之类，有毛细孔，易渗透，使用时须浸渍油、蜡或其他防渗透材料。一般阀门很少采用。
石棉制品，又有石棉带、绳、板和石棉橡胶板等。其中石棉橡胶板结构致密，耐压性能好，耐温性能也很好，阀门自己和阀门与管子法兰毗连中，使用极为普遍。
塑料制品，有很好耐侵蚀性能，使用也较普遍。品种有聚乙烯、聚丙烯、软聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙66、尼龙1010等。
橡胶制品，质柔软，各类橡胶划分有一定耐酸、耐碱、耐油、耐海水能力。品种有自然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、异丁橡胶、聚氨酯橡胶、氟橡胶等。
? 金属材料：一般说，金属材料强度高，耐温性能强。但铅其实不这样，仅取它耐稀硫酸特征。经常使用品种有黄铜、紫铜、铝、低碳钢、不锈钢、蒙乃尔合金、银、镍等。
? 复合材料：例如金属包皮(内部石棉)垫圈、组合波形垫圈、环绕纠缠垫圈等。
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2.经常使用垫圈性能
使用阀门时，往往具体情况，更换原带垫圈。常有垫圈有：橡胶平垫圈、橡胶O形圈、塑料平垫圈、聚四氟乙烯包垫圈、石棉橡胶垫圈、金属平垫圈、金属异形垫圈、金属包皮垫圈、波形垫圈、环绕纠缠垫圈等。
? 橡胶平垫圈：变形容易，压紧时不艰苦，但耐压、耐温能力都较差，只用于压力低、温度不高方。自然橡胶有一定耐酸碱性能，使用温度不宜跨越60℃；氯丁橡胶也能耐某些酸碱，使用温度80℃；丁腈橡胶耐油，可用至80℃；氟橡胶耐侵蚀性能很好，耐温性能也比一般橡胶强，可150℃介质中使用。
? 橡胶O形垫圈：断面外形是正圆，有一定自紧作用，密封效果比平垫圈好，压紧力更小。
? 塑料平垫圈：塑料最年夜特点是耐侵蚀性好,年夜部门塑料耐温性能欠好。聚四氟乙烯为塑料之冠，耐侵蚀性能优良，耐温范围比力宽阔，可-180℃～ 200℃之内持久使用。
? 聚四氟乙烯包垫圈：充实阐扬聚四氟乙烯优点，同时弥补它弹性较差错误谬误，做成聚四氟乙烯包裹橡胶或石棉橡胶垫圈。这样，既同聚四氟乙烯平垫圈一样耐侵蚀，又有优秀弹性，增强密封效果，减小压紧力。
? 石棉橡胶垫圈：由石棉橡胶板剪成。它组分是60～80%石棉和10～20%橡胶，和填充剂、硫化剂等。它有很好耐热性、耐冷性、化学稳定性，货源丰硕，价格廉价。使用时，压紧力没必要很年夜。它能粘附金属，最好概况涂一层石墨粉，以免拆卸时费劲。
? 金属平热圈：铅，耐温100℃；铝430℃；铜315℃；低碳钢550℃；银650℃；镍810℃；蒙乃尔(镍铜)合金810℃，不锈钢870℃。其中铅耐压能力较差，铝可耐64千克/平方厘米，其他材料可耐高压。
? 金属异性垫圈?
透镜垫圈：有自紧作用，使用于高压阀门。
椭圆形垫圈：也属于高压自紧垫圈。
锥面双垫圈：用于高压内自慎密封。
此外，还有方形、菱形、三角形、齿形、燕尾形、B形、C形等，一般只高中压阀门中使用。
? 金属包皮垫圈：金属既有优秀耐温耐压性能，又有优秀弹性。包皮材料有铝、铜、低碳钢、不锈钢、蒙乃尔合金等。里面填充材料有石棉、聚四氟乙烯、玻璃纤维等。
? 波形垫圈：具有压紧力小，密封效果好特点。常采用金属与非金属组合形式。
? 环绕纠缠垫圈：是把很薄金属带和非金属带紧贴一起，环绕纠缠成多层圆形，断面呈海浪状，有很好弹性和密封性。金属带可用08钢、0Cr13、1Cr13、2Cr13、1Cr18Ni9Ti、铜、铝、钛、蒙乃尔合金等建造。非金属带材料有石棉、聚四氟乙烯等。
以上，讲述密封垫圈性能时，列举了一些数字。必需说明，这些数字跟法兰形式、介质情况和安装修理技术等有紧密亲密关系，可以跨越，达不到，耐压和耐温性能，也是相互转化，例如温度高了，耐压能力往往下降，这些细微问题，只能实践中体会。
阀门密封材料
10 种 材 料
阀门密封材料是阀门密封的重要组成部分，它担任阀门密封直接接触的面。那阀门密封材料都有哪些呢？
▲阀门密封材料很重要
下面就简单介绍一下各类密封材料的使用条件，以及常用的阀门类型。
1.合成橡胶
合成橡胶的耐油、耐温、耐腐蚀等综合性能优于天然橡胶。一般合成橡胶的使用温度t≤150℃，天然橡胶t≤60℃，橡胶用于公称压力PN≤1MPa的截止阀、闸阀、隔膜阀、蝶阀、止回阀、夹管阀等阀门的密封。
2.尼龙
尼龙具有摩擦系数小、耐腐蚀性好等特点。尼龙多用于温度t≤90℃、公称压力PN≤32MPa的球阀、截止阀等。
3.聚四氟乙烯
聚四氟乙烯多用于温度t≤232℃、公称压力PN≤6.4MPa的截止阀、闸阀、球阀等。
4.铸铁
铸铁用于温度t≤100℃、公称压力PN≤1.6MPa、煤气和油类用的闸阀、截止阀、旋塞阀等。
5.巴氏合金
巴氏合金用于温度t-70~150℃、公称压力PN≤2.5MPa的氨用截止阀。
6.铜合金
铜合金常用材料有6-6-3锡青铜和58-2-2锰黄铜等。铜合金耐磨性好，适用于温度t≤200℃、公称压力PN≤1.6MPa的水和蒸汽中，常用于闸阀、截止阀、止回阀、旋塞阀等。
7.铬不锈钢
铬不锈钢常用牌号有2Cr13、3Cr13经调质处理，耐腐蚀性能好。常用于温度t≤450℃、公称压力PN≤32MPa的水、蒸汽和石油等介质的阀门上。
8.铬镍钛不锈钢
铬镍钛不锈钢常用牌号为1Cr18Ni9ti，其耐腐性、耐冲蚀性和耐热性能较好。适用于温度t≤600℃、公称压力PN≤6.4MPa的蒸汽、硝酸等介质中，用于截止阀、球阀等。
9.渗氮钢
渗氮钢常用牌号是38CrMoAlA，经渗碳处理，具有良好的耐腐蚀性和抗擦伤性。常用于温度t≤540℃、公称压力PN≤10MPa的电站闸阀。
10.渗硼
渗硼由阀体或阀瓣本体材料直接加工出密封面，再进行渗硼表面处理，密封面耐磨性能很好。用于电站排污阀。
阀门密封等级
从分类标准到选用
阀门密封等级，这个很重要，从分类标准到选用，针对国内及国外，究竟应该怎么选？
一. 阀门密封等级分类标准
国内
目前我国比较常用的阀门密封等级分类标准主要有以下两种：
?中国国家标准对阀门密封等级的分类国家标准GB／T 13927《工业阀门压力试验》。
?中国机械行业标准对阀门密封等级的分类机械行业标准JB／T 9092《阀门的检验与试验》。
国际上
目前国际上比较常用的阀门密封等级分类标准主要有以下六种：
1.前苏联
为了按阀门的密封程度和规定的用途选择产品，按密封程度对阀门进行了分类。
2.国际标准化组织
国际标准化组织标准ISO5208《工业阀门金属阀门的压力试验》。
3.美国石油协会(APl)
美国石油协会标准API 598–2004《阀门的检查和试验》。
4.美国阀门和管件工业制造商标准化协会(MSS)
美国阀门和管件工业制造商标准化协会标准《钢制阀门的压力试验》MSS SP61允许的阀门泄漏量要求如下：
?在阀门密封副中有一个密封面使用塑料或橡胶的情况下，在密封试验的持续时间内应无可见泄漏。
?关闭时每一侧的最大允许泄漏量应是：液体为公称尺寸(DN)每毫米、每小时0．4毫升；气体为公称尺寸(DN)每毫米、每小时120毫升。
?止回阀允许的泄漏量可增大4倍。
5.美国国家标准／美国仪表协会标准(ANSI／FCI)对控制阀
美国国家标彬美国仪表协会标准ANSI／FCI70-2(ASME B16．104)《控制阀阀座泄漏》。
6.欧盟标准
欧洲标准EN 12266―1《工业阀门阀门的试验》第l部分。压力试验、试验方法和验收标准-强制性要求。
二. 阀门密封等级的选用
国内
1.2009年7月1日实施的国家标准GB／T13927((工业阀门压力试验》是参照欧洲标准ISO 5208制订的。
适用于工业用金属阀门，包括闸阀、截止阀、止回阀、旋塞阀、球阀、蝶阀的检验和压力试验。密封试验的分级和最大允许泄漏量与ISO 5208的规定相同。
该标准是对GB／T13927(通用阀门压力试验》的修订，与GB／T13927相比，新增了AA、CC、E、EE、F和G六个等级。新版标准中规定“泄漏等级的选择应是相关阀门产品标准规定或订货合同中要求严格的一个。若产品标准或订货合同中没有特别规定时，非金属弹性密封阀门按A级要求，金属密封副阀门按D级要求?。”通常D级适用于一般的阀门，比较关键的阀门宜选用D级以上泄漏等级。
2.机械行业标准JB／T 9092《阀门的检验和试验》是对ZB J16006的修订。
密封试验的最大允许泄漏量是参照美国石油协会标准API598–1996制订的。适用于石油工业用阀门，包括金属密封副、弹性密封副和非金属密封副(如陶瓷)的闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、止回阀和蝶阀的检验和压力试验。目前GB／T 9092正在修订中。
3.工程设计中应注意：国家标准GB／T19672((管线阀门技术条件》是参照欧洲标准ISO 14313和美国石油协会标准API 6D制订的。
国家标准GB／T 20173《石油天然气工业管道输送系统管道阀门》是参照欧洲标准ISO 14313制订的。GB／T 19672和GB／T 20173这两个标准对阀门泄漏量的接收准则均同ISO 5208 A级和D级要求。因此，工程设计中有高于其标准的泄漏量要求时，应在订货合同中给出。
国际上
1.前苏联对阀门密封等级分类主要是20世纪50年代应用，随着前苏联的解体，现大多数国家都不选用此密封等级分类，而是选用欧美标准的密封等级分类。
欧洲标准EN 12266―1密封等级分类符合国际标准化组织标准ISO 5208的规定，但缺AA、CC和EE三个等级。ISO 5208与1999版相比，新增了AA、CC、E、EE、F和G六个等级。ISO 5208标准给出了与API 598和EN 12266标准几个密封等级的比较。其他公称尺寸密封等级的比较可按口径计算泄漏量得出。
2.美国石油协会标准API 598是美标阀门最常用的检验和压力试验标准。
制造商标准MSSSP61常作“全开”和“全关”的钢制阀门的检验，但不适用于控制阀门。美标阀门通常不选用MSS SP61检验。
API 598适用于下列API标准制造的阀门密封性能试验：
?法兰式，凸耳，对夹式和对焊连接止回阀 API 594
?法兰、螺纹和对焊连接的金属旋塞阀 API 599
?石油和天然气工业用DNl00及以下钢制闸阀截止阀和止回阀 API 602
?法兰和对焊连接的耐腐蚀栓接阀盖闸阀 API 603
?法兰、螺纹和对焊连接的金属球阀 API 608
?双法兰式，凸耳和对夹式蝶阀 APl609
工程设计中应注意：API 598–2004与1996版相比，取消了对API 600((石油和天然气工业用螺栓连接阀盖钢制闸阀》的检验和压力试验。API 600一2001(ISO 10434–1998)标准规定阀门的密封性能试验参照ISO 5208，但标准中表17和表18的泄漏量却同API 598–1996标准的规定，而不是采用ISO5208的密封等级分类法。
2009年9月实施的API 600标准中纠正了2001版中的这个矛盾，规定阀门的密封性能试验按照API 598，但没有规定版本，这又与API 598–2004相矛盾。因此，工程设计中选用API 600和其密封性能试验API 598标准时一定要明确标准的版本，确保标准内容的统一性。
3.美国石油协会标准API 6D(ISO14313)《石油和天然气工业一管线输送系统一管线阀门》对阀门泄漏量的接收准则是：
“软密封阀门和油封旋塞阀的泄漏量不得超过ISO 5208 A级(不得有可见泄漏)，金属阀座阀门的泄漏量不得超过ISO 5208(1993)D级，但按B．4所述的密封试验，其泄漏量不能大于ISO 5208(1993)D级的二倍，除另有规定。”
标准中注：“特殊的应用可要求泄漏量少于ISO 5208(1993)D级¨J。”因此，工程设计中有高于其标准的泄漏量要求，应在订货合同中给出。
API 6D–2008附录B附加试验要求中规定了在购方规定时制造厂要作的阀f J附加试验要求。密封试验分低压和高压气体密封试验，以惰性气体作为试验介质的高压密封试验将取代液体上密封试验和液体密封试验。
依据阀门的类型、口径和压力级别选择密封试验，可参考ISO 5208标准的规定。对于长输管道GAl、工业管道GCl上的阀门建议选用低压密封试验，可以提高阀门的合格品率。
选用高压密封试验时应注意弹性密封阀门经高压密封试验后，可能降低其在低压工况的密封性能。应根据介质使用工况实际条件，合理地选用阀门密封试验要求，可以有效地降低阀门的生产成本。
4.美国国家标影美国仪表协会标准ANSI／FCI 70-2(ASME B16．104)适用于控制阀密封等级的规定。
工程设计中应根据介质的特性和阀门的开启频率等因素考虑选择金属弹性密封或金属密封。金属密封控制阀密封等级应在订货合同中规定。根据经验，对于金属密封控制阀，I、Ⅱ、Ⅲ级要求较低，工程设计中选用的比较少，通常一般金属密封的控制阀最低选用Ⅳ级，比较关键的控制阀选用V或Ⅵ级。某乙烯装置火炬系统的控制阀设计，选用了金属密封Ⅳ级要求，运行良好。
5.另外工程设计中应注意：
API 6D规定奥氏体不锈钢阀门密封试验时所使用的水其氯离子含量不得超过30ug／g，ISO 5208和API 598均规定奥氏体不锈钢阀门密封试验时所使用的水其氯离子含量不得超过100ug／g。由于各标准要求不同，建议阀门订货合同中最好能明确密封试验时所使用的水其氯离子含量。
―THE END―
来源：hg707
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