金属对金属的硬密封结构与优化设计方案

（1）金属对金属的硬密封结构

1）平面密封。应用最广泛的是“金属对金属”的平面密封，也就是密封副的两个接触面为平面，如图4⁃3所示。其制造维修方便，工艺性能较好，易于加工和研磨（可直接用光学测量仪简单地检验表面质量），阀杆与阀座不要求有精确的同轴度，磨损擦伤较少，在清洁的介质中耐用性比锥形密封高。其与锥形密封相比的缺点是，对于不清洁介质的敏感性增加了，沉积在密封面上的固体微粒会影响密封。对于平面密封的结构型式，密封面的宽度一般较小，这样密封比压较高，容易达到所要求的密封性能。为承受安全阀关闭时的冲击载荷和提高耐侵蚀性，尤其是在高压下，密封面需要喷涂或堆焊一层硬质合金。然而，在腐蚀性强的工作介质中，由于某些耐腐蚀材料的硬度较低，狭窄的密封面无法承受安全阀关闭时的冲击载荷，因而必须将密封面的宽度适当加大。密封面宽度增加，将使被密封介质的泄漏路线增长，也是有利于密封的。在平面密封的结构型式中，阀瓣与阀座的密封面宽度应当不同，较软材料的宽度应当窄一些，这样在承受关闭时的冲击载荷时不会在较宽的密封面上出现印痕而影响密封性能。

2）锥面密封。密封副的两个接触面为锥面的锥形密封，如图4⁃4所示。在其他条件相同于平面密封时，该结构能获得较高的密封力，密封性能好，一般用于小通道直径安全阀或压力较高的场合。但锥形密封的工艺性能较差，研磨比较困难，同轴度要求很高。在制造精密和堆焊硬质合金的情况下，该结构能保证安全阀开启准确和动作稳定。在锥形密封结构中，阀瓣与阀座的圆锥角不应当相同。锥形密封对介质中固体微粒的敏感性较小，因为阀座的密封面处于流道之中，固体微粒不会沉积在密封面上。在关闭过程中，阀瓣的密封表面沿着阀座的密封表面有一定的相对位移和摩擦，致使锥形密封的寿命较平面密封低。

图4⁃3 平面密封

图4⁃4 锥形密封

3）弹性密封面。当工作介质温度较高，阀瓣与阀座有可能产生热变形，例如在高温高压的水蒸气中，可采用带弹性密封面的密封结构。图4⁃5所示为一种弹性阀瓣密封结构，其特点是在阀瓣密封面内侧加工了一道环形的凹槽，这就使阀瓣的密封面具有一定的弹性。从结构上比较，弹性阀瓣对于普通平面阀瓣的优点如下：

图4⁃5 弹性阀瓣密封结构

①降低了阀杆力的作用点，密封性能提高。普通平面阀瓣的阀杆力作用点不但高于密封面，而且不是直接作用在阀瓣上。弹性阀瓣结构上的改进，使安全阀的抗震动能力提高，即密封稳定性提高了。也就是说，在安全阀存在相同程度震动的情况下，弹性阀瓣结构更不容易发生泄漏。

②弹性阀瓣结构不仅提高了高温工作时的密封性能，而且提高了保持密封性的工作压力值。对于普通平面密封结构，当工作压力升高到安全阀整定压力的95％左右时，安全阀就会出现前泄。这种弹性密封结构甚至可以使安全阀的工作压力达到整定压力的98％。

图4⁃6所示为一种柔性阀瓣密封结构，其不同于图4⁃5所示的弹性阀瓣密封结构在于，这种结构型式中的密封唇较薄，受热均匀，故热变形也较均匀。另外，密封唇的变形受到限制，这样提高了阀瓣开启后回座时的耐冲击能力。

图4⁃6 柔性阀瓣密封结构

（2）非金属对金属的软密封结构 上述“金属对金属”的密封结构型式，要求高的加工精度、表面粗糙度小和对中性好，因而达到较高的密封性能是困难的。而对于密封性能要求高的场合（如有毒或可燃性介质），则采用“非金属对金属”的软密封结构型式，其基本结构如图4⁃7和图4⁃8所示。

图4⁃7 O形圈结构

图4⁃8 填料结构

1）O形密封圈。图4⁃7结构中，在阀瓣上镶嵌了一个O形圈，软质材料的O形圈阻塞了泄漏通道，达到阀瓣与阀座之间的密封。

随着橡胶材料性能（耐温、耐蚀）的提高，橡胶O形圈结构在安全阀中已较多应用。它的突出优点如下：

①密封性能好——需要的密封压力（密封比压）低，在同样密封载荷下可以提高安全阀的工作压力。

②密封结构简单，占空间小。

③尺寸及安装沟槽均有标准系列可供参考。

④容易安装和拆解。

⑤成本低。

不同材料的O形圈可以满足－60～325℃的工作温度，当然选择材料时还要考虑与工作介质的相容性。常用软质材料的基本性能见表4⁃2。

表4⁃2 常用软质材料的基本性能

橡胶O形圈用于较高的工作压力下时，应选取较高的硬度。美国某公司推荐的O形圈材料选择见表4⁃3。

表4⁃3 美国某公司推荐的O形圈材料选择

（续）

应当注意的是，橡胶O形圈是有保存期限的。某密封技术有限公司推荐的保存期限见表4⁃4。

表4⁃4 某密封技术有限公司推荐的橡胶O形圈保存期限

橡胶O形圈结构简单、成本低，但是结构尺寸设计讲究。图4⁃9和图4⁃10所示结构中的B、b、D_Z、d等尺寸需要合理选择。需要指出的是，O形圈结构是一种自紧密封结构，O形圈在沟槽中受介质压力作用下发生变形，“流”向间隙处而达到密封效果。所以该结构若设计考虑不周，则在阀瓣开启时，暴露在高速流动的气体介质中的O形圈特别容易从结构中被吹出，如图4⁃11所示。减少O形圈在流动气体中的暴露，将有助于避免该问题的发生，或采取其他结构设计措施。

图4⁃9 O形圈密封结构分解

图4⁃10 O形圈密封结构分解（另一种）

图4⁃11 O形圈被吹出过程

图4⁃12所示为先导式安全阀阀座处的橡胶O形圈密封结构。这种结构的优点在于阀瓣密封面是个平面，不存在零件干扰问题。

图4⁃12 先导式安全阀阀座处的橡胶O形圈密封结构

图4⁃13所示为Crosby公司的软密封结构。其阀瓣、阀座材料均为Monel，O形圈材料为Viton A。

图4⁃14、图4⁃15所示为Dresser公司1900系列安全阀的O形圈软密封结构。(www.xing528.com)

这种结构具有独特的优点如下：

①软座和金属座的双密封设计。阀座与O形圈固定件均加工成45°，提供了弹簧力的支承。

②对中性好。

图4⁃13 Crosby公司的O形圈软密封结构

图4⁃14 Dresser公司1900系列软密封结构示意

图4⁃15 Dresser公司1900系列软密封结构动作示意

③最大的密封力。O形圈固定件上有2个小缝隙。当阀门关闭时，介质压力从O形圈固定件上的缝隙进入O形圈的后部，增加了阀座的密封性。

④O形圈不易脱出。当阀门开启时，O形圈后部的介质压力从O形圈固定件上的缝隙处逸出，防止了O形圈脱出。

图4⁃16所示为氟塑料衬里阀座——橡胶O形圈密封结构。

图4⁃16 氟塑料衬里阀座——橡胶O形圈密封结构

2）填料密封。图4⁃17、图4⁃18和图4⁃19a所示为几种小规格安全阀的填料结构，适用于空气和低温液化气（例如，氧、氮、二氧化碳、甲烷、乙烯）。工作温度为－196～65℃。它们的阀瓣的密封面材料是25％碳纤维增强F⁃4（PTFE／Carbon filled）。图4⁃17所示的阀瓣是整体，这需要注意材料特性所带来的问题。图4⁃18所示的阀瓣是将增强F⁃4用机械方法（滚边）固定在阀瓣基体上。

图4⁃17 全塑料阀瓣

图4⁃18 塑料块被滚压在阀瓣上

图4⁃20所示为Safety Systems公司安全阀的软密封结构。其阀瓣的密封面材料是Kel⁃F（聚三氟氯乙烯）。

图4⁃8填料结构中的阀瓣与阀座之间的密封副结构典型细节如图4⁃21所示。

图4⁃19 塑料块被压板固定在阀瓣上

图4⁃20 Safety Systems公司安全阀的软密封结构

图4⁃21 阀瓣、阀座密封副结构典型细节

a）镶嵌塑料的槽结构 b）金属密封型面

填料结构中最常用的软质材料是耐蚀性最佳的氟塑料。但是氟塑料由于其特有的化学惰性，因而其无论是冷压还是热压进入金属基体的槽中，都无法牢固黏附到金属表面。为了使氟塑料很好地固定在槽中，需将槽加工成燕尾状，并在槽底沿圆周方向钻一些均布小孔，如图4⁃21a所示。这些小孔的作用：一是在塑料压入槽中时排气，利于塑料填满沟槽；二是因为氟塑料与金属基体表面无法粘牢，工作时的高压气体可能渗入氟塑料底部，而在突然放气时进入槽底部的压缩气体逸出时会将氟塑料冲出、击碎，故用小孔来避免产生这类故障。冷压氟塑料进入金属基体槽中的结构紧凑、工艺简单、密封可靠。该冷压工艺是利用F⁃4的“蠕变”特性，以求F⁃4充分“蠕变”而填满沟槽。必要时，通过剖切样件检验是否填满沟槽。必要时，图4⁃21b所示阀座金属密封型面的加工质量，需要通过剖切样件进行检验。

3）软密封结构的特点。

①软质材料挤压变形大有利于密封，但是可能导致整定压力偏差大。软密封结构中的软密封面通常是相对很软的橡胶、塑料等非金属软质材料表面。这种软密封结构利用软质材料的易挤压变形特性，在较小的压力下，软质材料就能被挤进金属表面的凹凸不平处或缝隙处，减小或堵塞了泄漏通道，易于达到所需要的密封性。也就是说，在相同情况下（工作压力、介质），所需要的密封压力（密封比压）低。

正因为软质材料的易挤压变形特性，软密封结构若考虑不周，可能带来一些不利影响。例如，造成安全阀的整定压力偏差大，尤其是对于长期受压后的第1次启跳时显示出整定压力偏高。其原因是软密封结构中的实际密封直径内移。表4⁃5列出了国外某公司两台先导式安全阀（主阀座O形圈密封结构）的试验情况，其第1次的启跳压力值分别高出3.16％和4.50％。在密封面较宽、密封压力较高的情况下这种影响特别大。图4⁃22所示为对阀门工作特性严重影响的实例。其开启压差由允许的0.8MPa增到3.8MPa以上。

②软质材料膨胀系数大（约相当于钢的10倍左右），需要在工作温度变化大的情况时在结构设计中给予考虑。表4⁃6列出了几种典型材料的线胀系数。

图4⁃22 对阀门工作特性严重影响的实例

表4⁃5 国外某公司两台先导式安全阀试验情况

表4⁃6 几种典型材料的线胀系数

③软质材料的蠕变或蠕变特性。由于施加负荷（低于屈服应力）使材料产生永久变形，称之为蠕变。这种变形会导致泄漏。这种变形的速率与材料性质、加载时间、加载温度和加载结构应力有关。

④软密封结构要求安全阀具有较好的对中性。大部分软密封结构中的软质材料是镶嵌在金属结构中的，实际起密封作用的接触面较小。若阀门的对中性不好，则相对应的金属接触面可能会与镶嵌软质材料外缘的金属产生干扰而起不到密封作用。

⑤软质材料的高低温适应性有限是软质材料本性决定。由于一些软质材料（如橡胶、F⁃46）承受载荷的能力不高，若在软密封结构中需要承受高的密封压力，可采用限定变形量的密封结构，如图4⁃23b所示。

在这类结构中，一方面确保密封性所需的密封压力，另一方面又不致使软质材料变形过多，也就是将软质材料压缩到某个h值后即产生金属限位作用。这里选择的软质材

图4⁃23 金属⁃软密封结构

a）不限定变形量 b）限定变形量

料必须具有一定的弹性，在密封接触面分离后材料能够回弹（或者部分回弹），以保证下一次工作时的密封性。橡胶和F⁃46是可以满足这一要求的。由于限制的压缩量h值（也就是阀座型面的凸出高度）较小，因此对型面的加工精度要求较高。