偶國(guó)富，賀 亮，王 超，趙露露，金浩哲，肖定浩

(浙江理工大學(xué)流動(dòng)腐蝕研究所，杭州 310018)

金屬硬密封球閥粗糙接觸平面的密封性能研究

偶國(guó)富，賀 亮，王 超，趙露露，金浩哲，肖定浩

(浙江理工大學(xué)流動(dòng)腐蝕研究所，杭州 310018)

以煤氣化系統(tǒng)中鎖渣閥的主密封結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用不可壓縮平均流動(dòng)模型，建立了球面縫隙流動(dòng)的泄漏量模型；提出了粗糙平面下的平均泄漏量計(jì)算方法，通過等效接觸方程計(jì)算粗糙平面的接觸壓力，揭示了球閥表面粗糙度、表面紋理結(jié)構(gòu)對(duì)閥門泄漏量的影響規(guī)律，以及閥門泄漏量與密封比壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：在滿足密封的前提下，橫向紋理特征所需密封比壓遠(yuǎn)小于縱向紋理特征表面；密封寬度越大，所需密封比壓越?。幌嗤孤┝壳闆r下，高溫所需的密封比壓明顯大于常溫時(shí)的密封比壓。該研究結(jié)果對(duì)工程中球閥表面加工精度、紋理結(jié)構(gòu)及密封比壓的選擇具有一定的參考價(jià)值。

球閥；球面縫隙流動(dòng)；泄漏量模型；密封比壓；密封性能

0 引 言

煤炭的清潔利用有助于調(diào)整我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，緩解石油資源緊缺的現(xiàn)狀[1-3]。煤氣化是煤炭資源高效、清潔利用的有效途徑之一。煤氣化鎖渣閥主要用于定期收集和排放來自氣化爐激冷室底部的渣水混合物，需要在高溫、高壓工況下連續(xù)運(yùn)行。此外，由于鎖渣閥調(diào)節(jié)頻繁，啟閉扭矩大，介質(zhì)中高含量的灰渣顆粒會(huì)對(duì)密封面造成嚴(yán)重的摩擦磨損，導(dǎo)致閥內(nèi)泄漏[4]。

已有很多學(xué)者對(duì)球閥表面的接觸狀態(tài)和密封性能進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算。Wang等[5]采用快速傅里葉變換和平均流動(dòng)模型得到了粗糙峰間的接觸壓力分布；Song等[6]建立浮動(dòng)球閥的有限模型，分析了閥座接觸面上密封比壓分布規(guī)律；赫劉峰等[7]采用有限元軟件，分析了固定球閥密封面上密封比壓的分布規(guī)律；汪家道等[8]結(jié)合橢圓彈性接觸模型，提出流量因子模型，認(rèn)為流量因子主要取決于表面綜合屬性和彈性變形量；孫見君等[9]提出了基于分形理的接觸式機(jī)械密封泄漏模型。上述球閥接觸端面的泄漏量模型主要是基于光滑表面提出的，粗糙表面對(duì)閥座泄漏量影響還有待進(jìn)一步研究。

本文以金屬球閥硬密封進(jìn)口端結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)N-S方程推導(dǎo)出流體介質(zhì)在球面縫隙中的流動(dòng)模型，對(duì)泄漏量進(jìn)行分析求解。主要研究不同表面紋理、粗糙度下的泄漏量Q與密封比壓q之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)閥門的微泄漏。在此基礎(chǔ)上，分析在不同表面紋理度下的閥門泄漏量，并比較不同泄漏等級(jí)下所需的比壓值，探索球閥表面粗糙度、表面紋理結(jié)構(gòu)對(duì)閥門泄漏量的影響規(guī)律，為閥門設(shè)計(jì)及加工制造提供參考。

1 不可壓縮介質(zhì)在球面縫隙中的流動(dòng)模型

1.1 不可壓縮平均流動(dòng)模型

圖1為兩個(gè)粗糙表面的接觸狀態(tài)示意圖。圖1中虛線表示基準(zhǔn)表面，名義膜厚度h0為兩基準(zhǔn)表面間的距離，δ1、δ2為符合高斯分布的表面粗糙度幅值。由圖1可知，由于表面粗糙度的存在，相鄰粗糙表面的實(shí)際接觸狀態(tài)為兩表面局部峰之間的接觸。兩個(gè)彈性表面的無摩擦接觸可采用一個(gè)固體表面和一個(gè)平的剛性平面的接觸來代替，那么表面粗糙度可定義為：

(1)

因此，局部膜厚度ht= δ + h0。定義膜厚比H=h0/δ，用于描述表面的粗糙程度。當(dāng)H遠(yuǎn)大于3時(shí)，固體表面非常光潔，表面粗糙度基本可忽略；當(dāng)膜厚比H趨近于3時(shí)，粗糙度對(duì)固體表面的接觸影響逐漸增加[10]。

圖1 粗糙表面之間的接觸狀態(tài)示意圖

針對(duì)等溫、不可壓縮潤(rùn)滑的情況，彈性接觸中的壓力分布滿足雷諾方程：

(2)

其中：p為接觸壓力，MPa；μ為流體動(dòng)力粘度，Pa·s；U1、U2為接觸表面速度，m/s。

將粗糙表面間平均壓力流量與光滑表面間的壓力流量之比定義為壓力流量因子Φ，用于表征表面粗糙度對(duì)泄漏量的影響。針對(duì)不可壓縮介質(zhì)的靜密封間隙流動(dòng)，可擬合得到壓力流量因子Φ與膜厚比H的關(guān)系[11]：

(3)

其中：r表示C、H、γ對(duì)應(yīng)的常數(shù)，γ=λx/λy表示表面紋理參數(shù)，λx、λy分別表示x、y方向上的相關(guān)長(zhǎng)度。通過調(diào)節(jié)λx、λy的比值，改變?chǔ)玫闹?，可模擬不同紋理表面特征。

圖2為不同表面紋理特征[12]示意圖。當(dāng)γ>1時(shí)，表面紋理具有縱向特征，γ值越大，縱向紋理越明顯，如圖2(a)所示；當(dāng)γ=1時(shí)，表面紋理具有各向同性特征，如圖2(b)所示；當(dāng)γ<1時(shí)，表面紋理具有橫向特征，γ趨于零時(shí)，橫向紋理越明顯，如圖2(c)所示。

圖2 不同表面紋理特征示意圖

不同粗糙度特征下的壓力流量因子計(jì)算結(jié)果如圖1所示。從圖3可知：a)隨著膜厚比增加，Φ值都趨近于1。在γ>1的條件下，當(dāng)膜厚比H>3時(shí)，隨著H值的增加，Φ值的變化不明顯；b)針對(duì)不同的表面紋理特征，Φ值在低膜厚比時(shí)變化敏感；c)當(dāng)時(shí)γ>1，Φ值都大于1，非常不利于密封；d)當(dāng)γ<1時(shí)，Φ值均小于1，有利于密封。

圖3 不同粗糙度特征下壓力流量因子Φ與膜厚比H關(guān)系曲線

1.2 球面縫隙流動(dòng)的泄漏量模型

球閥密封副泄漏流動(dòng)模型示意圖如圖4所示。圖4(a)中閥芯與閥座的縫隙高度為h，如果考慮接觸表面粗糙度的影響，則縫隙高度h(R0、θ)隨著θ角度的改變而改變。圖4(b)中球閥中心為流道通孔，閥座的曲面與球體構(gòu)成密封副。

(4)

圖4 球閥密封副泄漏流動(dòng)模型示意圖

其中：Q0為流量，m3/s；h為縫隙高度，mm；R0為球閥半徑，mm；θ1、θ2為角度，°；Δp為壓力降；MPa。

結(jié)合壓力流量因子Φ，粗糙球面縫隙流的介質(zhì)平均泄漏量可用式(5)表示：

(5)

其中：Q為平均泄漏量，m3/s。

1.3 粗糙面承載能力計(jì)算

粗糙表面的接觸壓力Pc可通過如下等效接觸方程[13]得到：

Pc=K′E′×4.4086×10-5×(4.0-h/σ)6.804， h/σ<4.0

(6)

其中：K′為常數(shù)，取值范圍為0.0003～0.0030，當(dāng)施加的預(yù)緊力較大時(shí)，K′取最大值0.0030；兩個(gè)粗糙峰接觸時(shí)的等效彈性模量E′可用式(7)表示：

(7)

閥門兩密封接觸表面材料為304不銹鋼，彈性模量E1=E2=210GPa，泊松比v1=v2=0.25。

1.4 密封比壓的計(jì)算

彌寧等[14]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料摩擦副之間的摩擦磨損率與載荷之間存在一個(gè)臨界區(qū)域，當(dāng)載荷處于臨界載荷以下時(shí)，磨損率較小，一旦大于臨界載荷，磨損率迅速增加。因此為了避免鎖渣閥在頻繁的啟閉過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的摩擦磨損，在鎖渣閥閥座泄漏量滿足不同等級(jí)閥座泄漏量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，密封面的密封比壓須盡量小，從而提高閥門的使用壽命。閥門密封面實(shí)際接觸時(shí)密封比壓q的計(jì)算公式如下：

(8)

其中：F為球體對(duì)閥座密封面的法向力，N；A為密封圈環(huán)帶面積，m2；h為密封面寬度沿軸向投影長(zhǎng)度，mm；R為球體半徑，mm。

2 球閥泄漏模型構(gòu)建

下面將以鎖渣閥(圖5)為研究對(duì)象，計(jì)算分析其在不同加工精度下的泄漏量。閥座材料為ASTM A182 F304，彈性模量E=190 GPa，泊松比v=0.3，屈服強(qiáng)度σs=205 MPa，布氏硬度HB=160 MPa。其中進(jìn)口壓力P1=20 MPa，中腔壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P2=0.1 MPa。

圖5 鎖渣閥二維模型示意圖

計(jì)算過程中所采用的鎖渣閥的工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：工作壓力P=20 MPa，DJH=187 mm，DMN= 160 mm，DMW=170 mm，R =125 mm，α=41.34°，表面紋理參數(shù)γ=1/6、γ=1與γ=6，當(dāng)溫度T=25和100 ℃時(shí)，水的動(dòng)力粘度μ水分別為8.937×10-4Pa·s和2.84×10-4Pa·s。

在閥門制造過程中，不同加工精度下密封面的粗糙程度具有很大差異[15]。本文重點(diǎn)研究當(dāng)表面粗糙度Ra分別為0.1、0.2 μm和0.4 μm時(shí)閥門密封性能。文中鎖渣閥閥門尺寸為203 mm，工作壓差為20 MPa。根據(jù)美國(guó)ASME B16.104閥門閥座泄漏標(biāo)準(zhǔn)(ANSI/FCI 70-2-2006, Control Valve Seat Leaking)，計(jì)算得到Ⅴ級(jí)閥座允許最大泄漏量為11.6 mL/min、Ⅵ級(jí)閥座允許最大泄漏量6.75 mL/min。

3 結(jié)果分析

3.1 各向同性表面泄漏量分析

當(dāng)T=25 ℃、γ=1時(shí)，不同Ra值下密封比壓q與泄漏量Q的關(guān)系曲線如圖6(a)-(c)所示。密封比壓q與泄漏量Q呈反比例函數(shù)關(guān)系，密封比壓q與泄漏量Q的變化趨勢(shì)不隨密封寬度h2的改變而變化。

圖6 當(dāng)γ=1時(shí)不同粗糙度下密封比壓與泄漏量之間的關(guān)系曲線

由圖6(a)中曲線可知：當(dāng)Ra=0.1 μm，密封比壓在10～30 MPa區(qū)間變化時(shí)，泄漏量Q隨密封比壓q的變化比較明顯；當(dāng)q>30 MPa時(shí)，泄漏量Q隨密封比壓q的變化不明顯；在相同的泄漏條件下，密封寬度h2越大，所需要的密封比壓q越小，因?yàn)殡S著密封寬度的增加，介質(zhì)在密封面間的流動(dòng)距離延長(zhǎng)，泄漏通道堵塞的可能性越大，泄漏阻力也隨之增加，從泄漏的角度來說有利于密封。

分析圖6(b)中密封寬度h2=4 mm與h2=6 mm時(shí)密封比壓與泄漏量的曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)密封寬度h2=4 mm時(shí)，即使密封比壓q達(dá)到50 MPa，仍然達(dá)不到Ⅵ級(jí)閥座泄漏量的標(biāo)準(zhǔn)，增加密封寬度h2至6 mm時(shí)，完全可以達(dá)到Ⅵ級(jí)閥座泄漏量的標(biāo)準(zhǔn)。

分析圖6(c)中密封比壓q與泄漏量Q的關(guān)系曲線：當(dāng)密封比壓q至少達(dá)到80 MPa時(shí)，才足以達(dá)到最低要求下的泄漏量標(biāo)準(zhǔn)；即使當(dāng)q<100 MPa時(shí)，粗糙度(Ra=0.4 μm)泄漏量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粗糙度(Ra=0.1 μm)及粗糙度(Ra=0.2 μm)的泄漏量。

對(duì)比分析圖6(a)與(d)中閥座泄漏量Q與密封比壓q關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)：在Ra=0.1 μm，密封寬度h2相同的情況下，要達(dá)到相同的泄漏量標(biāo)準(zhǔn)，T=100 ℃時(shí)所需的密封比壓值明顯大于T=25 ℃下的密封比壓值，因?yàn)橐后w介質(zhì)隨著溫度升高粘度降低，液體介質(zhì)在兩接觸表面的通道中更易泄漏。

比較圖6(a)-(c)中Ⅴ級(jí)閥座泄漏量與Ⅵ級(jí)閥座泄漏量與Q(q)曲線之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)：在密封寬度相同的情況下，圖6(a)中密封比壓q微小的增加，就能使閥座的泄漏量標(biāo)準(zhǔn)從Ⅴ級(jí)提高到Ⅵ級(jí)。而圖6(b)與圖6(c)則需要大幅增加。因?yàn)殡S著粗糙度的增加，所需密封比壓q也大幅度增加，加大了技術(shù)方面的困難。綜上可知，表面粗糙度對(duì)閥門泄漏量的影響較大。隨著粗糙度的增加，若要達(dá)到相同的密封等級(jí)，則需要施加更大的密封比壓，但是實(shí)際閥門設(shè)計(jì)中，由碟簧力提供的預(yù)緊比壓達(dá)到較大的值比較困難，即使可以施加這么大的預(yù)緊比壓，那么勢(shì)必增加碟簧尺寸，使得密封腔體積超過常規(guī)閥門設(shè)計(jì)，增加閥門制造成本，更有可能壓潰閥座密封面，產(chǎn)生塑性變形，影響密封可靠性。

3.2 各向異性表面密封比壓與泄漏量分析

當(dāng)γ=1/6時(shí)，不同Ra值下密封比壓q與泄漏量Q關(guān)系曲線如圖7(a)-(c)所示。由圖7(a)可知，泄漏量在低比壓時(shí)變化明顯，當(dāng)密封比壓q增加到10 MPa時(shí)，泄漏量Q隨著密封比壓q變化趨勢(shì)減緩，因此存在一個(gè)臨界密封比壓值使得泄漏量穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，以泄漏量Q在10～20 m3/s這個(gè)區(qū)間作為分析樣本。

對(duì)比圖7(a)-(c)可以發(fā)現(xiàn)，不同表面加工精度下，密封比壓q隨泄漏量Q的變化程度不一樣，表面精度越高，變化越快，曲線越陡，如圖7(a)所示。表面精度越低，變化越緩慢，曲線越平緩，如圖7(b)-(c)所示。因?yàn)榇植诙容^小的表面，粗糙峰曲率半徑小，在受到較少的載荷時(shí)就可以產(chǎn)生較大的形變，使得接觸面積增加，更有利于實(shí)現(xiàn)密封，而曲率半徑較大的粗糙峰在受到同等載荷時(shí)形變不明顯。因此加工精度較高的表面，只需施加較小的密封比壓就可以實(shí)現(xiàn)有效密封。

圖7 當(dāng)γ=1/6時(shí)不同密粗糙度下密封比壓與泄漏量之間的關(guān)系曲線

當(dāng)γ=6時(shí)，不同Ra值下密封比壓q與泄漏量Q關(guān)系曲線如圖8(a)-(c)所示。此時(shí)壓力流量因子Φ大于1，表面呈現(xiàn)縱向紋理特征，原則上不選擇此種表面加工紋理，因?yàn)榇藭r(shí)泄漏方向與紋理方向平行，由于表面的凹凸不平形成的泄漏通道更難實(shí)現(xiàn)密封。

由圖8(a)可知，當(dāng)Ra=0.1μm時(shí)，滿足Ⅴ級(jí)和Ⅵ級(jí)泄漏量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，所需密封比壓在實(shí)際工況時(shí)可以達(dá)到；隨著粗糙度的增加，如圖8(b)與(c)中所示，滿足相同密封等級(jí)，所需密封比壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際中密封比壓，由碟簧預(yù)緊力及流體介質(zhì)產(chǎn)生的比壓難以達(dá)到這樣的數(shù)值。因此，理論上不選擇γ>1的情形。

圖8 當(dāng)γ=6時(shí)不同粗糙度下密封比壓與泄漏量之間的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文建立了金屬硬密封球閥間隙流動(dòng)的泄漏量模型，并提出了計(jì)算方法，通過有限元軟件，分析閥門在不同粗糙度與加工紋理下閥門泄漏量與密封比壓間的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

a)表面粗糙度對(duì)泄漏量具有重要影響。對(duì)于各向同性表面，輪廓算術(shù)平均偏差越小，越有利于密封，實(shí)現(xiàn)Ⅴ級(jí)與Ⅵ級(jí)閥座泄漏量標(biāo)準(zhǔn)所需的密封比壓越?。痪C合加工的經(jīng)濟(jì)角度和密封條，選擇二級(jí)密封條件既能實(shí)現(xiàn)可靠密封，又能降低生產(chǎn)成本。

b)對(duì)粗糙表面的接觸壓力與實(shí)際閥座表面密封比壓平均值進(jìn)行比較，隨著密封寬度的增加，實(shí)現(xiàn)密封所需的比壓減小，但隨之能夠達(dá)到的閥座泄漏量標(biāo)準(zhǔn)也降低，對(duì)于一些密封等級(jí)要求不是特別嚴(yán)的閥門可以滿足要求。

c)對(duì)于呈現(xiàn)橫向紋理特征的表面，達(dá)到相同泄漏等級(jí)所需的密封比壓小于各向同性表面；對(duì)于呈現(xiàn)縱向紋理特征的表面，要實(shí)現(xiàn)可靠的密封只能選

擇一級(jí)密封的加工精度，否則實(shí)際閥門難以提供所需閥座泄漏量等級(jí)對(duì)應(yīng)的密封比壓，因此一般不宜采用具有縱向紋理特征的表面加工方式。

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(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Research on Sealing Performance of Rough Interface of Hard-Sealed Metal Ball Valve

OUGuofu,HELiang,WANGChao,ZHAOLulu，JINHaozhe,XIAODinghao

(Institute of Flow Induced Corrosion, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Main sealing structure of lock hopper valve in coal gasification system served as the object of study. Incompressible average flow model was applied to establish leakage model of spherical gap flow. This paper put forward the average leakage calculation method in rough surface, calculated the contact pressure of rough surface by means of equivalent contact equation, and revealed the influence law of surface roughness and surface texture of ball valve on valve leakage and the corresponding relationship between valve leakage and sealing pressure. The results show that: under the premise of meeting sealing, the sealing pressure of transverse texture feature is far less than that of longitudinal texture feature. The larger the sealing width is, the less the sealing pressure will be. Under the same leakage condition, the sealing pressure at high temperature is significantly larger than that at room temperature. The results of the study have certain reference value for the surface machining accuracy, texture structure and sealing pressure of ball valve in engineering practice.

ball valve; spherical gap flow; leakage model; sealing pressure; sealing performance

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.01.009

2016-04-14

日期： 2016-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-神華集團(tuán)有限公司煤炭聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1361107)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20133318120004)

偶國(guó)富(1965-)，男，江蘇太倉(cāng)人，教授，博士，主要從事流動(dòng)腐蝕預(yù)測(cè)及特種設(shè)備安全保障技術(shù)方面的研究。

金浩哲，E-mail：haozhe2007@163.com

TK730.2

A

1673- 3851 (2017) 01- 0047- 07