單座調節閥軟密封結構設計分析
1 介紹
調節閥（也稱為控制閥control valve）是過程控制回路的終端控制元件，但也是系統過程控制回路中較為薄弱的一個環節。調節閥按調節型式可以分為調節型、調節切斷型和切斷型3類，其中調節切斷型和切斷型的調節閥，泄漏量必須達到ASME B16. 104VI級（即氣泡級）的要求。調節切斷型調節閥通常采用軟密封結構才能做到VI級泄漏量的要求。本文針對直行程調節閥中用量最多，多數廠家都在生產的單座調節閥的軟密封結構設計的技術細節進行分析探討。
2 結構分析
2.1 傳統的單座調節閥軟密封結構設計
20世(shi)紀80年代(dai)開始，隨著(zhu)我國(guo)改革(ge)開放(fang)政策的(de)(de)貫徹和(he)(he)落實，一些調(diao)節閥制造廠引(yin)進了國(guo)外著(zhu)名調(diao)節閥廠商的(de)(de)技術和(he)(he)產品，使我國(guo)調(diao)節閥產品的(de)(de)品種(zhong)和(he)(he)質量得(de)到明顯提高。其中具有代(dai)表性(xing)的(de)(de)是日本山武公司(si)的(de)(de)Cv3000系(xi)列調(diao)節閥，如Cv3000系(xi)列中的(de)(de)HTS單座調(diao)節切斷型調(diao)節閥（即軟密封）的(de)(de)典型結構(gou)（圖1）。調(diao)節閥的(de)(de)軟密封環(huan)通(tong)過(guo)閥瓣(ban)頭和(he)(he)螺釘(ding)鑲嵌(qian)到閥瓣(ban)柄中，閥座通(tong)過(guo)螺紋連接(jie)擰緊在(zai)閥體上。
1 閥體 2 閥座 3 閥瓣頭 4 軟密封環 5 螺釘 6 閥瓣柄
圖1 傳統(tong)單座調節閥軟密封結構
當閥門處(chu)(chu)于(yu)關(guan)閉(bi)狀態時，閥座(zuo)的(de)(de)凸(tu)起(qi)表面嵌入(ru)到(dao)軟(ruan)密封(feng)(feng)(feng)環中（軟(ruan)密封(feng)(feng)(feng)環通常(chang)由聚四氟(fu)乙烯等彈(dan)性(xing)材(cai)料制成(cheng)），該處(chu)(chu)的(de)(de)彈(dan)性(xing)材(cai)料變形(xing)包圍(wei)住閥座(zuo)凸(tu)起(qi)表面，由此(ci)確保(bao)可(ke)靠的(de)(de)密封(feng)(feng)(feng)效果，同(tong)時閥桿也不至(zhi)于(yu)受到(dao)過(guo)大的(de)(de)推力。由此(ci)可(ke)見，閥門在關(guan)閉(bi)時僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)用適當的(de)(de)力就可(ke)以確保(bao)密封(feng)(feng)(feng)，而彈(dan)性(xing)材(cai)料本身(shen)也能(neng)夠持久地(di)支承住這(zhe)個關(guan)閉(bi)力。這(zhe)一點對于(yu)開啟(qi)長期處(chu)(chu)于(yu)關(guan)閉(bi)的(de)(de)閥門特別(bie)有意義。由于(yu)彈(dan)性(xing)材(cai)料表面不是發生永久性(xing)變形(xing)，所(suo)以能(neng)保(bao)證(zheng)閥座(zuo)和(he)閥瓣(ban)多次重復啟(qi)閉(bi)時的(de)(de)密封(feng)(feng)(feng)性(xing)。此(ci)外(wai)又因(yin)為嵌入(ru)彈(dan)性(xing)材(cai)料的(de)(de)閥瓣(ban)能(neng)夠修(xiu)正(zheng)密封(feng)(feng)(feng)副在同(tong)心度方面的(de)(de)較(jiao)小偏差，所(suo)以對于(yu)閥瓣(ban)和(he)閥座(zuo)的(de)(de)制造位置精度要求可(ke)以較(jiao)低。
但是，這種形式的軟密封結構也有一些弊端。首先是難于限定關閉力的大小，即使當閥瓣軟密封環接觸到閥座時，關閉動作也不能及時停止，因而使彈性材料容易出現永久性變形，尤其是當閥門長期處于關閉時，閥瓣軟密封環長期受到過載壓力而使其出現永久變形，開啟后再關閉時就容易失效。其次，在閥門開啟過程中，由于閥瓣的節流作用，使得閥門在剛一打開的短時間內出現介質的高速流動，此時軟密封環要承受很大的壓力降，這將對軟密封環表面產生沖蝕，造成其表面的迅速破壞。因此，該軟密封結構通常被限制在壓力降小于3MPa的場合下使用。
另外該結構在裝配、拆卸和維修方面也有極大的缺陷。首先軟密封環是通過閥瓣頭和螺釘擰緊嵌入到閥瓣柄中，為了保證螺釘不松脫，在裝配時通常要在螺釘上涂上合適的固化膠或者采用沖鉚、點焊的方法固定螺釘，這就給再次拆卸更換軟密封環時帶來極大的不便。其次是閥座采用螺紋連接，需要專用工裝才能夠裝配和拆卸，對于現場維修極為不便。
2.2 改進型軟密封結構設計
隨著工業技術的發展，用戶希望獲得更高質量的閥門，同時也要求提高閥門的使用、維修水平。這就對工程技術人員提出了新的要求，除了要精心設計出高質量和高水平的閥門，合理選用和正確操作之外，還要方便維修人員的維修和拆卸，方便快捷，使各類事故及維修時間降到最低限度。于是，對于單座調節閥來說，就出現了圖2所示的改進型軟密封結構設計。在這種結構設計中，用金屬擋環和軟密封環代替了傳統結構中用螺釘固定嵌入式軟密封環的設計，用壓套和閥座密封墊直壓式結構設計代替了傳統結構中閥座采用螺紋連接的設計。這樣的設計優點是當閥瓣和閥座達到最后關閉位置時，閥瓣給閥座的部分力由金屬擋環承擔，并直接傳到閥座，這樣就排除了軟密封環因過載而損壞，而且金屬擋環還提供了一定的輔助密封作用。直壓式結構設計也改變了需要專用工裝才能拆卸的螺紋連接閥座設計，裝配與拆卸、現場維修與更換都十分方便。
改進型軟密封結構設計也存在一定的缺點。首先，軟密封環一旦失效，金屬擋環也只能起到暫時的密封，必須要盡快更換。另外，如果介質中帶有固體顆粒時，極容易卡在閥瓣和閥座中間，妨礙了閥座的密封，會引起泄漏，繼而由于介質的高速沖刷而使閥座表面被沖蝕破壞。
2.3 新型軟密封結構設計
為了彌補上述結構的不足，出現了如圖3所示的新型單座調節閥軟密封結構設計。
新型結構中，密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)副采用(yong)金(jin)(jin)屬(shu)密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)和聚四(si)氟乙(yi)烯彈性(xing)密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)雙密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)設計。金(jin)(jin)屬(shu)密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)閥(fa)座可起支撐作用(yong)，防止軟(ruan)密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)環(huan)因壓力過大而被壓碎。軟(ruan)密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)環(huan)由彈性(xing)O形圈支撐并(bing)受到金(jin)(jin)屬(shu)壓圈的(de)(de)保護，附加的(de)(de)金(jin)(jin)屬(shu)壓圈免除(chu)了(le)軟(ruan)密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)元件過載的(de)(de)危險，這樣就是經過50萬次的(de)(de)開關(guan)后(hou)還能做到氣泡(pao)級（VI級）密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)，點滴不漏。
圖4為閥門全關狀態，金屬密封與彈性密封同時作用，密封嚴密、可靠。
圖5為閥門全開狀態，彈性軟密封環恢復彈性。
在閥門剛剛打開的瞬間，在密封件外緣處由于介質產生較急的湍流，會造成密封件的振動，使密封材料出現疲勞破壞。新型結構中由于金屬閥座環凸緣的保護，軟密封環不會受流體的沖刷，不易損壞。
對于夾帶固體顆粒的流體介質，軟閥座閥門的密封結構更為重要。這主要是因為介質中夾帶有固體顆粒時，極容易卡在閥瓣和閥座的密封面之間，妨礙了閥座的密封，會引起泄漏，繼而由于介質的高速沖刷而使閥座表面被沖蝕破壞。對于上述具有二級關閉作用的軟閥座密封結構（圖6），即使出現了這種顆粒卡在閥瓣和閥座金屬密封部位之間，也不會有什么危害，因為還有閥瓣和軟閥座之間的密封，仍能起到可靠有效的補充密封作用。
3 結語
隨(sui)著閥門產(chan)品苛刻的使用(yong)條件不斷(duan)增強，對閥門結(jie)構(gou)(gou)設計的要(yao)(yao)求也(ye)不斷(duan)提(ti)高，同(tong)時(shi)也(ye)促(cu)進了工程(cheng)材料(liao)的發展。由于對閥門各種(zhong)特殊(shu)需求，要(yao)(yao)求生產(chan)廠家不斷(duan)地(di)研制出新型的密(mi)封部件，以(yi)(yi)滿足現代工業發展的需要(yao)(yao)。新型單座調節閥軟密(mi)封結(jie)構(gou)(gou)設計可以(yi)(yi)成功地(di)應用(yong)在口徑為25㎜以(yi)(yi)上(shang)的閥門，壓力降可以(yi)(yi)達到(dao)30MPa，具有防火安全，密(mi)封可靠，裝配、拆卸和維修方便等特點(dian)，值得(de)廣泛推廣和應用(yong)。
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