作者：陳鑒 劉秀波
摘 要：介紹了唇形密封圈的工作原理、結(jié)構(gòu)類型和安裝方法
，論述了應(yīng)用唇形密封圈組成的自泄壓閥座和雙活塞效應(yīng)閥座的功能
。
1 概述
唇形密封圈（Lipseal）也稱彈簧蓄能密封圈。因其優(yōu)越的性能
，像“塞子”一樣廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域
，且實現(xiàn)密封功能，故也稱為“泛塞圈”
。泛塞圈的夾套由PTFE
、RPTFE或其他高性能聚合物制成，內(nèi)部彈簧可以選擇不同的材料
。因泛塞圈具有耐介質(zhì)腐蝕和耐老化性能
，在閥門行業(yè)中泛塞圈一般應(yīng)用在橡膠O形圈不能使用的特殊工況，如低溫
、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)等工況
。
2 性能
適用溫度：-270～340℃
適用壓力：0～350MPa
適用尺寸：0.635～3000mm
適用介質(zhì)：幾乎所有介質(zhì)
本文僅討論泛塞圈作為密封件在固定球球閥閥座部位的應(yīng)用。
3 密封原理
泛塞圈在工作狀態(tài)時
，密封唇和金屬彈簧處于壓縮狀態(tài)
。夾套內(nèi)部的彈簧提供了一個初始預(yù)緊力，使得低壓工況有很好的密封效果。除了彈簧載荷以外
，介質(zhì)壓力會在密封唇上施加額外的載荷
。理論上講，介質(zhì)壓力越高
，密封效果越好（圖1）
。
圖1 密封原理
4 結(jié)構(gòu)特點
4.1 彈簧
泛塞圈內(nèi)部的彈簧主要有圓形、V形和橢圓形3種（圖2）
，其材料可由AISI301
、Elgiloy、Inconel718
、HastelloyC276等合金鋼制成
。3種彈簧的載荷與壓縮率相差較大（圖3）。
圖2 彈簧類型
圖3 泛塞圈彈簧載荷與壓縮率的關(guān)系
圓形彈簧也稱螺旋彈簧
，用扁平鋼條旋繞而成
，能提供比其他彈簧更大的載荷，但變形范圍較小
。因此
，圓形彈簧適合用于氣體介質(zhì)和低溫介質(zhì)。
V形彈簧的工作原理類似“懸臂梁”
，使得彈簧提供的載荷集中在密封唇的前緣
，這種彈簧具有中等負(fù)載和變形范圍，應(yīng)用較廣泛
。另外
，當(dāng)有反向介質(zhì)壓力時，彈簧的開口處被介質(zhì)壓力壓縮
，會產(chǎn)生“泄壓”功能
。
橢圓形彈簧由圓形鋼絲旋繞成傾斜線圈而成，在很寬的變形范圍內(nèi)能提供相對恒定的載荷
，使得密封件不會過度變形而損壞
。因此，橢圓形彈簧可以應(yīng)用于封閉式溝槽設(shè)計
。
4.2 支撐環(huán)
當(dāng)有反向介質(zhì)壓力時
，為了保護(hù)夾套密封唇不被損壞，需要在彈簧尾部設(shè)計支撐環(huán)
。支撐環(huán)有矩形、L形和T形等結(jié)構(gòu)（圖4）
。
圖4 支撐環(huán)類型
矩形支撐環(huán)的截面類似矩形
，其僅與V形彈簧配合使用，較為經(jīng)濟(jì)的做法是用金屬鋼帶卷焊而成
。缺點是裝配時沒有定位
，容易產(chǎn)生偏心
，為了防止裝配時脫落和偏心，矩形支撐環(huán)與V形彈簧接觸的部位需要點焊固定
，但這又容易對彈簧載荷產(chǎn)生影響
。另外，在往復(fù)行程較大的場合下不宜使用
，如上裝式固定球球閥閥座部位
。
L形和T形支撐環(huán)由金屬或工程塑料加工而成，彌補(bǔ)了矩形支撐環(huán)的缺點
，可以在往復(fù)行程較大的場合下使用
，但制造成本較高。
4.3 擋圈
高壓和/或高溫介質(zhì)工況
，金屬零件之間的咬合間隙非常重要
。咬合間隙是配合零件之間的單側(cè)間隙，在高壓和/或高溫介質(zhì)工況下
，過大的間隙可能促使泛塞圈夾套被擠壓進(jìn)咬合間隙
，從而造成密封失效。
增加泛塞圈根部的厚度可以改善咬合
，更為有效的方式是使用擋圈彌補(bǔ)咬合間隙
。擋圈應(yīng)比夾套材料更加堅硬，通常使用高填充的RPTFE或PEEK（圖5）
。
圖5 擋圈
5 裝配
安裝泛塞圈的溝槽結(jié)構(gòu)要有利于其裝配和拆卸
，以避免夾套密封唇的損壞。泛塞圈初始裝入閥體時
，閥體與泛塞圈接觸的部位應(yīng)設(shè)計成光滑的安裝倒角和圓角
，此時的泛塞圈處于自由狀態(tài)，具有一定的變形范圍
，在緊湊型設(shè)計的情況下
，閥體該部位也可以 只設(shè)計裝配圓角。在閥座與泛塞圈接觸的部位必須設(shè)計足夠大的裝配倒角和圓角（圖6）
。
圖6 泛塞圈的裝配過程
6 應(yīng)用
6.1 自泄壓閥座
API6D規(guī)定
，固定球球閥的閥腔壓力不得超過兩端管線壓力的33%（表1），利用自泄壓閥座可以實現(xiàn)這一功能
。對于壓力等級越低的閥門
，實現(xiàn)自泄壓的難度越大。
表1 閥腔的最大允許超壓值 MPa
注：38℃下閥門主體材質(zhì)為A105
。
普通的泛塞圈自泄壓閥座密封溝槽是開放式設(shè)計
。密封時由于閥座右側(cè)受壓面積大于左側(cè)，因此靠介質(zhì)壓力產(chǎn)生活塞效應(yīng)，將閥座推向球體實現(xiàn)密封（圖7（a））
。
圖7 普通泛塞圈自泄壓閥座的密封與泄壓
當(dāng)閥腔超壓時
，由于泛塞圈的左側(cè)壓力大于右側(cè)壓力，因此將泛塞圈推至閥體
。此時閥座右側(cè)的受壓面積仍然大于左側(cè)的受壓面積
，閥座仍將靠緊球體密封（圖7（b））。自泄壓功能必須通過泛塞圈泄壓才能夠?qū)崿F(xiàn)（圖7（c））
。自泄壓結(jié)構(gòu)的閥座其泛塞圈必須選擇V形彈簧
，因為圓形和橢圓形彈簧受壓后只會將閥體與閥座越撐越緊，直到被閥腔的壓力壓壞為止
。
V形彈簧的泛塞圈既要保證密封
，也要實現(xiàn)泄壓，故其彈簧力的設(shè)計與控制顯得尤為重要
。經(jīng)過多次試驗
，V形彈簧的泛塞圈若要實現(xiàn)可靠的密封，反向泄壓值通常不能低于1.5MPa
。因此
，表1中壓力等級為150磅級與300磅級的球閥不應(yīng)使用V形彈簧泛塞圈的閥座。針對自泄壓問題
，給出了三種解決方案
。
（1）增大面積差。通過增大泛塞圈與閥座的配合面尺寸實現(xiàn)閥座的自泄壓（圖8（a））
。泛塞圈的內(nèi)徑值需要大于閥座與球體接觸部位的尺寸
。這樣當(dāng)閥腔超壓時，即使泛塞圈不能泄壓
，閥座左側(cè)的受壓面積大于右側(cè)
，也能推動閥座遠(yuǎn)離球體。這個方案的缺點是閥門的開啟扭矩顯著增加
。實際應(yīng)用僅限于低壓閥門
。
（2）增加擋塊。在閥座的尾部增加擋塊
，用螺釘將擋塊與閥座連為一體（圖8（b））
，使泛塞圈與閥座可以整體移動。當(dāng)閥腔超壓時
，雖然泛塞圈被來自閥腔的壓力推離
，但最終的作用力仍作用在閥座上，因此可以將泛塞圈與閥座作為一個整體進(jìn)行受力分析
。該方案的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜
，一些小口徑的閥門沒有設(shè)計空間
，而且在閥體上必須設(shè)計足夠大的泛塞圈安裝倒角，防止損壞泛塞圈的密封唇口
。
（3）封閉式溝槽。采用封閉式溝槽
，結(jié)構(gòu)簡單
，設(shè)計緊湊，適合一些小口徑的閥門
。另外
，泛塞圈選用橢圓形彈簧，可以充分利用這種彈簧的特點
，彈簧伸出泛塞圈尾部
，以便受反向壓力時保護(hù)密封唇口。缺點是拆卸不便
，拆卸時容易損壞泛塞圈
。
圖8 泛塞圈自泄壓閥座的解決方案
6.2 雙活塞閥座
雙活塞閥座要求用單個閥座即可截斷來自兩端的介質(zhì)，因此不具備自泄壓功能（圖9）
，為了方便拆裝
，閥座與閥體均應(yīng)設(shè)計足夠大的安裝倒向角。泛塞圈應(yīng)用于雙活塞閥座時通常是背靠背安裝兩組（圖9）
。當(dāng)圖9（a）的結(jié)構(gòu)改用圓形彈簧泛塞圈時
，要特別注意系統(tǒng)壓力不能超過圓形彈簧的載荷，否則容易將圓形彈簧壓潰
。
圖9 泛塞圈在雙活塞閥座的應(yīng)用
7 結(jié)語
近年來
，固定球球閥發(fā)展迅速，其閥座的結(jié)構(gòu)與形式也隨使用要求出現(xiàn)了很多變化
，正確
、合理、靈活的使用泛塞圈
，可以提高球閥性能
，擴(kuò)大球閥應(yīng)用范圍，減少生產(chǎn)損失
。
來源：《閥門》
（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）
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