0 引言

球閥作為閥門壓力管道、壓力溶器、鍋爐等設(shè)備中主要部件之一，用于控制介質(zhì)流通或切斷，它廣泛應(yīng)于天然液化氣、電力、輕工、建筑、冶金等各個行業(yè)領(lǐng)域。橡膠O形密封圈（以下簡稱O形圈）作為一種低廉成本，適用于裝在各類閥門中，在規(guī)定的溫度、壓力、以及不同的液體和氣體介質(zhì)中，于靜止或運動狀態(tài)下起密封保護作用。而當(dāng)球閥處于關(guān)閉位置時，應(yīng)達到規(guī)定的密封要求（或滲漏量要求），設(shè)計中選用O形圈作密封元件，能成功阻止?jié)B漏，達到完全密封效應(yīng)，特別是對于球閥在啟閉過程中，閥桿做旋轉(zhuǎn)運動時，O形圈的運動摩擦力很小，選用O形圈作密封元件，實現(xiàn)零泄漏要求。所以O(shè)形圈是球閥中應(yīng)用最普遍、密封效果最佳的密封元件之一。

1 應(yīng)用范圍

球閥是一種在不同工況環(huán)境下，可通過手動驅(qū)動裝置、氣動驅(qū)動裝置或電動驅(qū)動裝置實現(xiàn)啟閉的閥門，在球閥生產(chǎn)制造中，O形圈又是一種適合多種密封形式的密封元件，它的動態(tài)密封和靜態(tài)密封在各類球閥的密封性能中發(fā)揮重要的作用。以兩片式球閥為例，如圖1所示。O形圈在端面上和閥桿中能有效阻止各類介質(zhì)的泄漏，確保閥門系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。O形圈安裝在兩端面上它屬靜態(tài)密封效果，安裝在閥體中孔與閥桿上屬動態(tài)密封效果。兩種密封效果都完全滿足球閥的設(shè)計需求。

圖1 兩片式球閥

（1）靜態(tài)密封

O形圈屬于擠壓密封，擠壓型密封結(jié)構(gòu)的基本特點依靠密封件發(fā)生彈性變形、在密封接觸面上造成接觸壓力，當(dāng)接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓時，則起到密封作用，反之導(dǎo)致滲漏。兩片式球閥的左、右端體為金屬對金屬接觸，屬于靜態(tài)密封結(jié)構(gòu)，為了減小或消除它們之間的密封面間隙，在設(shè)計時選擇O形圈作密封元件，當(dāng)介質(zhì)壓力較小時呈靜止?fàn)顟B(tài)，所需密封力很小，此時靠裝配時的預(yù)緊力在O形圈彈力的作用下，即可保證左、右端體密封；當(dāng)介質(zhì)壓力不斷升高時，密封比壓也隨著增大，O形圈驟然膨脹，此時O形圈有效地阻止了兩端縫隙間的泄漏點，球閥的密封性能因而得到保證（如圖2）。

圖2 靜態(tài)密封

（2）動態(tài)密封

當(dāng)球閥作啟、閉動作時，無論采用何種驅(qū)動方式，閥桿都要作旋轉(zhuǎn)運動，為防止介質(zhì)通過中孔間隙竄出，在閥桿處勾一凹槽嵌入O形圈（如圖3），雖然閥桿作往復(fù)轉(zhuǎn)動90°，但由于O形圈的摩擦小和良好的自潤滑性，它們相互配合起到良好的密封效果。為了保證閥座與閥芯形成良好的密封副，同樣在閥座內(nèi)加工一凹槽，把O形圈安裝其中（如圖4），當(dāng)閥腔介質(zhì)壓力升高時，在彈簧力的推動下，閥座向閥芯產(chǎn)生位移，在O形圈高彈性能的作用下，保證了管道內(nèi)腔的密封性，此時O形圈在管道中啟動態(tài)密封效果，前兩種結(jié)構(gòu)形式中，O形圈同屬于動態(tài)密封結(jié)構(gòu)。

圖3 動態(tài)密封

圖4 零泄漏密封

（3）零泄漏密封

球閥的密封結(jié)構(gòu)分為金屬密封和軟密封兩種結(jié)構(gòu)型式，相對于軟密封結(jié)構(gòu)而言，金屬密封結(jié)構(gòu)的閥門泄漏率較高，按API閥門泄漏等級規(guī)定，如果金屬密封結(jié)構(gòu)的泄漏等級要達到Ⅵ（相當(dāng)于零泄漏量），溫度要求小于200℃以下，此時不管是靜態(tài)密封，還是動態(tài)密封的球閥選用O形圈作密封件，完全滿足各項設(shè)計參數(shù)。對于燃氣球閥來說，為了防止氣體介質(zhì)通過各種渠道滲漏，造成易燃易爆，在各泄漏點處嵌入O形圈，能有效地防止閥體滲漏的間隙值小于0.001μm，從而實現(xiàn)零泄漏，所以它特別適用于需要用氣體、粉塵等介質(zhì)的特殊工況場合。

3 材料選用

O形圈材料種類繁多，有氟橡膠（FKM）、丁腈橡膠（NBR）和硅橡膠（VMQ）、乙丙橡膠（EPDM）、天然橡膠（NR）等等，在球閥中常用的O形圈材料一般采用氟橡膠、丁腈橡膠和硅橡膠等，對于要求溫度高的球閥，比如大于等于200℃以上的球閥，建議選用其它形式的密封元件。球閥中應(yīng)用的O形圈材料不但與溫度、介質(zhì)、壓力有關(guān)，而且受使用工況環(huán)境和各項綜合因素的影響而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

（1）溫度

溫度是影響O形圈使用范圍的主要因素之一，在球閥設(shè)計過程中，選用的O形圈適用溫度一般為－29～180℃，高溫或低溫工況的球閥，要另外選擇特殊合成材料為能料制成的密封件，才能達到密封性能的使用要求。

在常用的橡膠材料中，參閱標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。氟橡膠具有優(yōu)越的耐高溫性能，普通氟橡膠工作溫度范圍－25～240℃，而特殊牌號的全氟醚橡膠可承受300℃的恒溫或340℃的瞬間高溫而不發(fā)生硬化和膨脹失效。因此，對于其它工況高溫下使用的球閥，可適當(dāng)考慮選用全氟醚橡膠。

橡膠在低溫工況下使用會脆化而失去密封效果作用，所以，低溫球閥一般不推薦使用。硅橡膠是橡膠材料中耐低溫能力最強的材料之一，雖然它可達到－100℃，但它的拉伸強度低，抗磨損性能差。一般不能用于旋轉(zhuǎn)動密封部位。所以，對于低溫工況的球閥不適合選用，從有關(guān)資料得知，硅橡膠的使用溫度為－60～220℃，它在保持硅橡膠耐溫性能的基礎(chǔ)上，增強了耐化學(xué)性能和機械力學(xué)性能。

（2）介質(zhì)

球閥作為閥門中五大閥之一，適用于不同工程行業(yè)。針對不同的介質(zhì)，選擇合適的橡膠材料和適當(dāng)能料的O形圈是非常必要的。如氟橡膠O形圈具有抗燃性和良好的氣密性、耐臭氧性及優(yōu)良的抗腐蝕性。硅橡膠O形圈更適用于粉塵、顆粒介質(zhì)的球閥。丁腈橡膠O形圈對耐油、酸堿、磨、化學(xué)侵犯等環(huán)境中有良好的密封、減震作用。因此，酸性介質(zhì)、油、水、氣、氧化性和還原性等其它混合化學(xué)的介質(zhì)在球閥中都可選擇合適的O形圈。

（3）壓力

根據(jù)O形圈的化學(xué)原理；O形圈的硬度一般為邵氏50～90，當(dāng)閥門壓力管道較低時，為節(jié)約環(huán)保，應(yīng)優(yōu)選硬度為邵氏50～70的O形圈，當(dāng)閥門壓力管道較高時，為安全角度考慮，應(yīng)推薦選取硬度為邵氏70～90的O形圈，當(dāng)管道壓力大于等于150LB或1.0MPa時，應(yīng)把O形圈嵌入在金屬凹槽內(nèi)，防止O形圈隨著壓力的變化而被擠壓變形。另外，高壓時，O形圈易發(fā)生破損。即O形圈在高壓的作用下，經(jīng)過長時間高壓氣體分子滲入內(nèi)部，當(dāng)O形圈外部壓力瞬間降低時，內(nèi)部高壓氣體分子就容易急速擴散而撐破O形圈，如閥座處的密封O形圈，當(dāng)球閥作旋轉(zhuǎn)開啟時，閥腔內(nèi)部壓力瞬時泄放介質(zhì)，會發(fā)出巨大的聲音，此時，取出O形圈就發(fā)現(xiàn)已破裂，說明球閥密封性能已失效。由此可見，在此情況下，閥座密封建議使用致密封性高的O形圈，或適時更換O形圈密封，才能確保閥門管道的正常工作。

4 失效分析及處理方法

通過長期的使用和試驗實踐，引起O形圈失效的綜合因素有三種。

（1）與介質(zhì)不相容

在日常球閥產(chǎn)品設(shè)計中，所選的O形圈與流道介質(zhì)不相溶，會造成腐蝕、溶脹變形和斷裂，出現(xiàn)這樣的問題，將嚴重影響球閥產(chǎn)品質(zhì)量。比如：硝酸、硫酸和氯化鈉等酸堿性濃度大的介質(zhì)，在球閥設(shè)計時，就要慎重考慮O形圈的應(yīng)用是否合適。

（2）疲勞失效

在燃氣閥門管道使用的三片式燃氣防火球閥中。如果球閥的壓力為4.0MPa，而使用工況的實際壓力為6.3MPa，把球閥安裝在壓力管道中運行一段時間發(fā)現(xiàn)支承圈處的O形圈密封失效，經(jīng)分析，由于實際工作壓力使用范圍大于管道系統(tǒng)波動范圍，而且它們相互之間的壓力非常相近，啟閉頻率高，致使O形圈往復(fù)收縮，O形圈達到規(guī)定壽命極限。導(dǎo)致O形圈疲勞失效，為了保障管道系統(tǒng)工作的正常動轉(zhuǎn)，必須制訂定期更換O形圈的時間表或減少球閥的啟閉次數(shù)。

（3）永久變形失效

應(yīng)用在球閥上的所有密封件材料中，橡膠O形圈比聚四氟乙烯（PTFE）和柔性石墨的硬度相對而言較低，但它的回彈性比前兩者高。若把它應(yīng)用在高溫高壓的閥門管道中，橡膠受熱受壓扭曲，極易產(chǎn)生永久變形失效。如果球閥產(chǎn)品應(yīng)用在低壓天然煤氣管道中，選取65邵氏硬度的O形圈作密封元件，產(chǎn)品運行若干時間段后，取出閥座密封處的O形圈發(fā)現(xiàn)它表面雖然光滑，但斷截面已變?yōu)榉叫螠喜蹱?，毫無回彈性，造成嚴重密封失效。此時若更換80以上邵氏硬度的O形圈作閥座密封元件，在同等條件下，O形圈的密封性能完好。

5 結(jié)語

在球閥設(shè)計研發(fā)中，選用O形圈作密封元件時，一定要綜合考慮其溫度、介質(zhì)和壓力等不同工況及工作環(huán)境變化對O形圈的影響，其次，O形圈的位置放置、結(jié)構(gòu)型式、安裝和維護也不可忽視。只有這樣，才能延長O形圈的使用壽命，提高O形圈的使用率，確保球閥產(chǎn)品在壓力管道中正常運行。