【摘要】本文通过分析现有高温高压自密封结构的优缺点，阐述了一种新型自密封结构的设计方法及数据计算。

　　一、前言

　　随着国民经济的快速发展，带动电站行业及的发展，这就对电站行业所需要的阀门产品的要求提出了进一步提高的要求。主要表现在阀门使用的温度、压力要求更高，阀门口径增大方面。对于高温高压的大口径阀门，其自密封结构非常重要，针对目前常用的自密封结构，本文阐述一种新型自密封结构。

　　二、分析

　　目前，电站阀常用的自密封结构有楔形垫组合密封，和楔形垫片密封两种结构，如图1和图2所示。一般来说，大口径阀门采用组合式楔形垫结构，小口径采用楔形垫结构。

1 阀体 2 阀盖 3 楔形垫 4 压环 5 四开环 6 支承环 7 预紧螺栓

1 阀体 2 阀盖 3 楔形垫 4 支架

　　这两种结构形式的工作原理基本上是相同的，都是把楔形垫放置在浮动顶盖和圆筒体端部之间，利用螺栓产生的预紧力而形成初始比压。当介质压力作用时，浮动顶盖受压力作用向上压缩楔形垫，从而达到自紧密封。

　　当管道介质压力由底向高变化时，此类阀门要始终保持密封，必须满足两个条件：一是要通过预紧螺栓产生一定的初始比压;二是在高压时，密封面不被高压压溃。为了满足这两个条件，设计楔形垫时就要考虑其材料既要满足低压时的塑性变形，又要有足够的强度来避免高压时因密封力过大而压溃密封面。为了解决这一矛盾，现通常作法是将强度高的材料表面镀一层软质镀层或涂覆层。

　　通过分析，可以发现现有的楔形垫密封结构存在以下缺点：零件加工精度高，装配要求高;镀层或涂覆层使成本加大，且由于镀层或涂镀层在高温时存在剥落可能，低压时密封不可靠。

　　三、设计

　　针对现在自密封结构的不足，设计以下双密封圈的自密封结构(如图3所示)。

1 阀体 2 软密封圈 3 硬密封圈 4 阀盖 5 压环 6 四开环

　　这种密封结构的主要特点是把原来的楔形垫分成由软密封圈和弹性硬密封圈组成的双密封结构。下面是柔性石墨或用柔性石墨编织填料压制成的软密封圈，上面是由OCr18Ni9或其他奥氏体钢支撑的弹性密封圈，如图4所示。设计时注意事项如下。

　　(1)软密封圈用柔性石墨或用柔性石墨编织填料压制而成，图中所示尺寸为压制后的尺寸。考虑到材料的压缩量及回弹量较大，H尺寸可以适当放大。

　　(2)金属密封圈由于是弹性设计，故在设计过程中尺寸D1=D-(1~1.5)，还要注意角度5°的设置。视H1的大小，在外圆上适当设计槽的数量和大小，以增加弹性。

　　(3)软密封圈斜角为30°，弹性金属密封圈斜角为32°。在金属密封圈开始密封时，保证金属密封圈上口首先密封。从而使金属密封圈具有弹性。

　　这样的设计不但具有现有楔形垫密封结构的优点，而且可以成功弥补现有常用楔形垫密封的缺点，其优点具体分析如下。

　　(1)因为双密封结构有软密封存在，故其所需的螺栓预紧力要小许多，初始密封比压小，在低压情况下容易密封。设计时可以适当减小预紧螺栓，减少阀门成本。

　　(2)由于柔性石墨的压缩率远远大于金属材料，而且柔性石墨的膨胀系数(在20~600℃时，其值为1.5~4.65X16-6/℃)又远小于金属材料(0Cr18Ni9在20~600℃时，其值为17.9X16-6/℃)。当压力和温度逐渐升高时，弹性金属密封圈开始受力密封，而此时软密封圈已受力很小。这样既保证高温高压情况下密封，又能避免软密封圈不被压溃。

　　(3)由于所需的初始密封比压靠柔性石墨来密封，故弹性金属密封圈、浮动阀盖及圆筒体端部的加工精度可以降低。而且金属密封圈不用镀层或涂镀层，也可以降低成本。

　　(4)这种结构对顶盖安装误差要求不高，所以装配难度大大降低。

　　(5)由于是软硬双层密封圈密封，故在温度、压力产生波动的情况下也能实现可靠密封。

　　四、计算

　　(1)预紧状态时，软密封圈楔形垫的轴向分力，即预紧螺栓的载荷计算：

　　五、结语

　　自密封结构阀门设计的关键在于把普通楔形垫改成双密封圈的楔式结构。低压时靠柔性石墨或柔性石墨编制材料的软密封圈来实现可靠密封，高压时，靠弹性金属密封圈来实现可靠密封。这样不但弥补了现有自密封结构的缺陷，而且可以降低成本。特别适用于大口径、高温高压的电站阀门。是一种很有应用价值的自密封结构。

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