0 引言

工业水平的提高使各种阀门的用量急剧增加，也对阀门的密封性能提出了更大的挑战。在工业现场中，阀门泄漏的事件时有发生，可见对阀门的密封性能进行分析十分有必要。阀门泄漏的原因是多方面的，其影响程度也各不相同，根据不同的应用条件，可以采取不同的措施来防止阀门泄漏。

1 阀门密封的类型及特点

根据密封的形式，阀门密封通常可以分为接触密封和非接触密封两种形式。接触密封就是借助外力使密封面相互接触、压紧并嵌入，从而消除内部的间隙。非接触密封则无需借助外力即可实现阀门的密封。根据密封面的材料特性，阀门密封又可以分为塑性密封、弹性密封、研合密封和受控膜密封[1]。其中塑性密封是通过塑性的密封面相互接触挤压而实现的密封，这种密封方法具有接触面大、比压分布均匀、加工容易等优点，但可靠性稍差；弹性密封则一般采用线性接触的方式，要求接触面的形状有较精密的加工尺寸，弹性密封具有耐高温高压的优点，但由于弹性形变的变形量不大，因而不具备足够的补偿能力；研合密封是采用经过精密研磨的表面进行密封，虽然研磨面的变形量很小，但由于研磨精度极高，只需使用很小的外力即可实现可靠密封，因此非常适用于高参数密封场合；受控膜密封是通过密封力和液体压力的平衡关系来调节密封间隙的，受控膜可以由电子系统进行控制，也可以由热胀冷缩的自然条件来控制，受控膜密封方式主要用于高速高压场合。

2 阀门密封性原理

宏观地说，密封的基本原理就是通过采用各种手段来防止介质的泄漏。从微观上看，密封性则可以通过毛细管原理来解释。密封性能是通过泄漏量来描述的，有研究表明，阀门的泄漏量与毛细管直径的四次方成正比，还与液体自身的性质有很大的关系。有观点认为，密封就是要使密封副之间的间隙小于流体分子的直径，然而，即使采用目前最先进的研磨技术，密封副表面的粗糙度控制在0.1um 之内，也仍然比水分子的直径大许多[2]。

可见这种观点是不科学的。通常阀门的密封是大一定的比压下，通过密封面的塑性形变挤平来微观间隙完成密封的。

2.1 液体的密封性

液体在阀门内的密封可以由液体本身的粘度和表面张力来解释。如果阀门间隙中的毛细管内填充着足够多的气体时，液体表面张力由于相切角的作用就会对液体产生一定的力，这种作用力可以由泊松公式来描述。当相切角
为锐角时可以把液体吸收进来，从而发生泄漏；当相切角大于90 度时，如果阀门内表面上的油膜受损，则也会由于油膜被溶解而发生泄漏[3]。因此，特殊场合的阀门应考虑使金属表面与液体形成90 度。当然，这种泄漏特性与液体本身的物理特性息息相关。

2.2 气体的密封性

气体的密封本质上也可以当作密度较小的流体来分析，气体分子的大小和气体粘性对气体密封性能有很大的影响。根据泊松公式，气体的泄漏量和毛细管的长度及气体粘度成反比例关系，当毛细管直径变大时，泄
漏会更窠发生。在毛细管直径的大小大致等于分子自由度时，由于热运动的存在也会发生泄漏现象。在这种情况下，哪怕进一步加大密封面塑性形变，毛细管直径小于气体自由度，仍然无法实现可靠的密封。这就是某些

阀门可以对液体进行很好的密封，却无法对气体进行可靠密封的根本原因。因此，气体的密封试验应在比液更严格的条件下进行。

2.3 泄漏通道的密封原理

密封副表面的波峰和波型是其结构最主要的特征，波形面上往往布满了大量凹凸不平小结构，波峰与波谷间也构成闭合性波纹型结构，这决定了任何精密加工表面精度都不可能比分子尺寸更小[4]。因此，密封副一般要
使用高屈服应变材料来制造，只有这样才能通过材料塑性形变来阻止泄漏。然而大部分金属材料都不具备足够大的弹性形变，如果采用金属与金属进行配作为密封副，其密封效果自然不可能太理想。因此阀门设计时，应采用
具有较大硬度差的材料作为匹配密封对，这样才会产生足够的变形量来保证介质的密封。从泄漏通道的原理上分析，其实过于强调阀门密封面的光洁度是不必要的，因此表面光洁度的提高很可能意味着总体平整度的下降，这样反而降低了密封性能，得不偿失。因为表面平整度决定了吻合度和表面环向波纹度，而这两个正是密封性能中最关键的参数。

2.4 阀门密封副

所谓阀门密封副，其实就是指阀门基座和关闭部件互相接触的表面区域。对于硬度较大的金属材料而，密封副极易受到杂质的影响，例如介质本身夹带的颗粒物、腐蚀造成的颗粒。当杂质的颗粒度小于表面的粗糙度时，由于杂质对密封副表面凹坑的填充而使其表面更加平整，这种情况下反而增加了阀门的密封性能。反之，如果杂质颗粒度过大，则会破坏密封副的吻合度，从而为泄漏提供了有利条件。因此在密封副设计生产过程中，必须充分考虑到研磨颗粒的尺寸、阀门使用工况、润滑液性质等从多因素，才能达到较理想的密封效果。

3 影响阀门密封的主要因素

3.1 密封副结构

由于密封副是在一定的外在压力下工作的，而一般的密封副材料并非绝对的刚体，因力的作用下必然会发生微小的形变，而这些微小的形变对于液体或气体等介质而言就是严重的泄漏通道。不同的密封副结构有不同的密封性能，例如面型密封与线型密封显示是不一样的。

3.2 密封副的质量
密封副质量主要体现在材料的选择、面型的匹配和加工的精度三个方面。例如，在同样的面型匹配和加工精度条件下，当材料塑性较好时，密封性能也会较好。如果面型不匹配，即使加工精度再好，也很难弥补面型失配带来的
不利影响。

3.3 密封面比压
密封面的比压对密封性能可能有提高也可能有损害。首先，过大的比压容易造成阀门损坏，而过小的比压又会密封可靠性变差，比压的选择直接影响密封性，需要通过参数计算或大量实验来寻找最佳的密封面比压参数。

3.4 介质的物理性质

介质的温度、粘度和、亲水性等物理性质是影响到阀门密封性能的重要因素。对于精密阀门而言，温度会对材料的尺寸有微小的影响，同时造成会挂粘度的变化，从而对密封性能产生复杂而难以预测的影响。因此，具有温度补偿功能的阀门密封性会大大提高。

4 防护措施

一般说来，通过增大密封力，使密封面产生的塑性变形尽可能大，是提高阀门密封性能的普遍做。然而，要想阀门达到较可靠的密封程度，仅仅靠增加密封力是远远不够的。根据不同的应用场合，本文进一步提出以下防护
措施：

①根据密封力产生塑性变形的力学原理，在阀门设计时，可以考虑采用软密封的弹性塑性材料来代替硬度较大的金属材料。以常用的球阀、蝶阀的设计为例，如果将其阀座设计为弹性材料，同时在填料箱增加补偿弹簧，进一步提高塑性形变，从而提高密封度。

②根据吻合度和环向波纹度的原理，应放弃传统的一昧提高表面光洁度的观点，而要把更多的目光聚焦在吻合度和环向波纹度的提高上面来，而这两方面的因素都可以通过精加工车床和科学的工艺来实现。

③根据油脂与水不相溶的原理，可以在油脂的密封阀门设计中，采用油脂对密封副进行处理，通过破坏材料表面的亲水性，使油脂与密封副对水的排斥来进一步增高密封性能。当然，如果被密封介质不是水，也可以选用相应的与其相排斥的材料。

④根据密封面比压对密封的影响机理，比压过大或者过小都不利于提高阀门的密封效果。可以根据密封副的材料特性，适当选用合适的比压来使阀门处于最佳密封状态。不同的材料具有不同的物理特性，自然也有着不同的
最佳比压参数。

⑤根据液体的密封性原理，在生产实践中，应尽量减小毛细管的直径以提高密封性能。具体途径有两个，一是增加密封副的研磨平整度，尽可能使研磨表面平滑；二是增加密封副的密封力，通过增大密封副表面的塑性变形来提高密封的可靠性。

⑥根据泄漏通道的密封原理，对于金属密封表面而言，由于不平整的存在会产生较严重的泄漏通道，而金属的弹性形变如果不足以阻塞泄漏通道，可以在密封表面增加一层塑性较好的材料，使两表面之间的通径完全
密合。

5 结语

在工业化背景下，阀门密封性对保障生产的安全有重要作用。未来的阀门在结构上会更加复杂，甚至不能再用传统的思想去分析其密封原理。因此，只有根据具体的情况对阀门的密封性进行分析，有针对性地提高防护措施，才能达到良好的效果。