1、填塞式

　　球閥填塞式密封結(jié)構(gòu)(圖1)是早期球閥密封座的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，一個(gè)形狀簡(jiǎn)單的由PTFE制造的圓環(huán)裝在球體和閥體之間，這種密封座結(jié)構(gòu)稱為“填塞式”密封(jam-seal)。可以設(shè)想，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很難來(lái)控制裝配過(guò)盈量C，或者說(shuō)，裝配時(shí)預(yù)緊比壓值對(duì)過(guò)盈量C的變化十分敏感，制造的球閥不是過(guò)盈量太小而容易泄漏，就是過(guò)盈量太大而轉(zhuǎn)矩太大，制造不出品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品。

圖1 填塞式密封座

　　特別是當(dāng)閥門用在過(guò)程工業(yè)中，閥門要經(jīng)受壓力波動(dòng)和溫度波動(dòng)，這時(shí)填塞式密封的球閥的缺陷被顯示出來(lái)。因?yàn)樘钊�式密封的塑料�?yīng)變發(fā)生在球體與密封座和閥體與密封座之間，這兩個(gè)區(qū)域的接觸應(yīng)力大小，決定閥門的密封性能。在閥門使用中，不希望這一接觸應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生松弛而引起內(nèi)漏。

　　因此，希望密封材料像橡膠一樣，受壓時(shí)可以發(fā)生較大的變形，來(lái)填補(bǔ)金屬表面的微觀不平度，而當(dāng)應(yīng)力消除后又能回復(fù)其原來(lái)的形狀，這種現(xiàn)象被稱為材料的“記憶特性”，一個(gè)較好的例子是橡皮筋，可以被拉得很長(zhǎng)，應(yīng)力一旦消失，就回復(fù)到其原來(lái)的形狀，所以工程上很多場(chǎng)合選用橡膠密封圈作密封材料，但PTFE就不具備這種“記憶特性”，它的彈性范圍很小，塑性范圍很大。而且當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度，就產(chǎn)生“冷流”現(xiàn)象，就是發(fā)生了宏觀的形狀變化。例如PTFE在常溫下，產(chǎn)生“冷流”的極限應(yīng)力為42MPa。溫度上升時(shí)，這一值迅速降低，當(dāng)溫度為150℃時(shí)，產(chǎn)生“冷流”的極限應(yīng)力值為4.7MPa。

　　另一個(gè)缺陷是熱膨脹特性，通常希望密封材料的熱膨脹系數(shù)和金屬材料接近，這樣環(huán)境或者工況溫度變化時(shí)，密封材料的“過(guò)盈”量不會(huì)發(fā)生明顯的變化，遺憾的是PTFE的熱膨脹系數(shù)是鋼的7.5倍，這就使當(dāng)溫度升高時(shí)，密封材料的過(guò)盈量增加，閥門的關(guān)閉轉(zhuǎn)矩增加，開(kāi)關(guān)失靈。當(dāng)溫度下降時(shí)，密封材料收縮，保持密封的過(guò)盈量消失，閥門就產(chǎn)生泄漏。

　　如果把PTFE的“冷流”特性和熱膨脹特性結(jié)合來(lái)考慮，問(wèn)題就變得更加嚴(yán)重，就是一旦發(fā)生較大的熱循環(huán)現(xiàn)象，由于PTFE的膨脹比金屬膨脹大得多，過(guò)盈量增加，壓縮應(yīng)力增加，超過(guò)冷流極限，密封材料就產(chǎn)生“冷流”，溫度下降后，其他材料回復(fù)到其原來(lái)的形狀，而密封材料PTFE例外，產(chǎn)生了“冷流”，發(fā)生了嚴(yán)重的變形，裝配時(shí)的密封座PTFE的過(guò)盈量消失，閥門就產(chǎn)生了不可恢復(fù)的泄漏。

2、唇式

　　基于上述情況，就要設(shè)計(jì)一種密封座的形狀，克服PTFE的“冷流”和熱膨脹特性的缺陷來(lái)改善其記憶特性。這種密封結(jié)構(gòu)稱之為具有撓性的唇式密封技術(shù)(lip-seal)。

　　有許多種的撓性設(shè)計(jì)可以來(lái)解決這一問(wèn)題，從而出現(xiàn)各種各樣的密封結(jié)構(gòu)被申請(qǐng)了專利，這已是20世紀(jì)60～70年代的事。而它的設(shè)計(jì)技巧和原理并未被工程師們所認(rèn)識(shí)。圖2所示是唇式密封座的一種結(jié)構(gòu)，它有一個(gè)特別的形狀，有兩個(gè)密封接觸點(diǎn)，一點(diǎn)與球面接觸，另一點(diǎn)與閥座接觸。在介質(zhì)力水平方向作用下，密封座的形狀發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)原始形狀的撓曲力。當(dāng)介質(zhì)力消失后，恢復(fù)原來(lái)的形狀，獲得了“記憶特性”，這種密封座稱為撓性唇式密封座。

圖2 唇式密封座結(jié)構(gòu)

　　對(duì)于撓性唇式密封座可以做一個(gè)壓力和變形的實(shí)驗(yàn)(圖3)，圖中的曲線表示2 in球閥密封座的效率曲線。區(qū)域A的面積表示密封座的最大變形能，區(qū)域B的面積表示壓力去除后變形的回復(fù)。同時(shí)又可以看到，設(shè)計(jì)的2in球閥唇式密封座的最大初始變形尺寸可達(dá)到2.5mm。裝配后唇式密封座彈性變形尺寸可達(dá)到1.5mm。

圖3 球閥唇式密封座的效率曲線(由Jamesbury公司提供)

　　為了使唇部的變形量不致過(guò)大，防止可能發(fā)生的永久變形，所以在唇式密封座設(shè)計(jì)時(shí)考慮有一個(gè)支撐點(diǎn)來(lái)限制其過(guò)度變形的發(fā)生。如圖4所示。這一改進(jìn)使密封座具備下列功能：

　　①球體保持在閥腔中心，球體浮動(dòng)是微小的；

　　②裝配后，唇部發(fā)生變形，能儲(chǔ)存彈性變形能，實(shí)現(xiàn)低壓下的密封；

　　③密封座上有一支撐點(diǎn)，當(dāng)壓力升高，溫度升高時(shí)，平衡部分作用在密封座上的介質(zhì)力；

　　④防止材料可能產(chǎn)生的“冷流”。

　　這種截面形狀的唇式密封座裝配前的形狀如圖4(a)所示。裝配后的形狀如圖4(b)所示，有四個(gè)接觸點(diǎn)，B點(diǎn)是與球體接觸的密封點(diǎn)，A點(diǎn)是與閥體接觸的密封點(diǎn)，C點(diǎn)是與球體接觸的支撐點(diǎn)，D點(diǎn)是與閥體接觸的支撐點(diǎn)。裝配前后唇緣的形狀變化，儲(chǔ)存了材料的彈性變形能，像彈簧一樣。而且當(dāng)溫度或壓力升高時(shí)，進(jìn)一步吸收彈性變形能，當(dāng)溫度或壓力下降時(shí)，泄放彈性變形能來(lái)獲得記憶特性。

圖4 唇式密封座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理(由Jamesbury公司提供)

　　另外，還有一個(gè)閥腔內(nèi)壓力夾持的問(wèn)題，就是ANSl B16.34-2009《法蘭、螺紋和焊接端閥門》標(biāo)準(zhǔn)中，第2.2.3節(jié)提出的介質(zhì)熱膨脹。“在某些情況下，一些雙密封座的閥門結(jié)構(gòu)可能會(huì)同時(shí)對(duì)中腔至相鄰管線的壓力差造成隔離，當(dāng)中腔充滿液體或部分充滿液體，并受到溫度升高的影響，就會(huì)造成中腔壓力的異常升高，從而導(dǎo)致壓力邊界的失效。如果發(fā)生這種情況，購(gòu)方應(yīng)要求供方提供設(shè)計(jì)、安裝或操作程序以確保閥腔中的壓力不超過(guò)本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料壓力—溫度許可值。”

　　解決這一問(wèn)題可以在球體上鉆一個(gè)孔，當(dāng)球閥關(guān)閉時(shí)，腔體與進(jìn)口端管道相通，夾持在腔體中的液體可以向進(jìn)口端排出，但球閥失去雙向流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，在某些工程中不能被接受。也可以在殼體上裝一只安全泄放閥，將增加麻煩，因此希望密封座具備自泄放功能。當(dāng)腔體壓力升高時(shí)，自動(dòng)向進(jìn)口側(cè)或出口側(cè)排放。

　　為說(shuō)明這一結(jié)構(gòu)的實(shí)施過(guò)程，先參考圖4(a)所示是未裝配前密封座狀態(tài)；圖4(b)所示是裝配后密封座發(fā)生了變形，變形后根部C與球體接觸，原來(lái)根部與球體的間隙消失，唇緣被壓縮而彎曲，這一變形使整個(gè)環(huán)向中心有一個(gè)彎矩，B、C兩點(diǎn)是兩條密封線。A、D兩點(diǎn)是在閥體上與密封環(huán)接觸的兩條密封線，腔體內(nèi)的壓力與進(jìn)口、出口介質(zhì)壓力相隔離。如果在密封座外緣開(kāi)泄放槽，如圖4(c)中虛線所示，腔內(nèi)的介質(zhì)合力方向是增加密封的可靠性。如果再在根部開(kāi)泄壓槽，如圖4(d)中虛線所示，介質(zhì)合力的方向改變，傾向于將唇邊彎曲，當(dāng)腔內(nèi)壓力異常升高時(shí)，唇邊處將使閥門內(nèi)壓力泄放。這就是為滿足ANSl B16.34第2.2.2節(jié)壓力泄放的要求而設(shè)計(jì)的唇式撓性密封座，被廣泛用于現(xiàn)代浮動(dòng)球球閥的產(chǎn)品中。

　　另外，在介質(zhì)壓力升高和環(huán)境溫度升高時(shí)外緣的槽和根部的槽減輕了密封座對(duì)球體夾持力的增加，亦減少了操作力矩。