双层阀盖密封副弹塑性密封研究

王鑫，张晓东，李志明，侯明军

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

双层阀盖密封副弹塑性密封研究

王鑫，张晓东，李志明，侯明军

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

文章简述了现代高参数汽轮机阀门双层阀盖的结构形式，以M-B粗糙表面接触模型为基础，采用双线性等向强化模型，研究了考虑表面形貌的金属弹塑性密封条件下，双层阀盖密封副达到完全密封时所需的最小密封应力，为此类密封结构设计提供了参考。

汽轮机，阀门，密封

Abstract：The structure of double valve cover of modern high parameter steam turbine was described briefly.Based on the model of M-B rough surface contact,a bilinear isotropic hardening model is adopted.The minimum sealing contact stress of sealing surface was provided under the condition of the suface morphology's metal elastic-plastic seal,which provides a reference for the design of the sealing structure.

Key words：steam turbine,valve,sealing

0 引言

现代大功率汽轮机主蒸汽进汽压力温度逐步提高并达到超临界和超超临界蒸汽参数水平，对汽轮机主汽阀密封设计水平与设计思路提出了新的挑战。国内第一个二次再热机组安源项目主蒸汽参数就达到了31 MPa。现役汽轮机主汽阀阀盖通常采用强制密封形式，依靠高强度螺栓压紧密封圈达到预紧并保证密封。高强度螺栓结构简单、但螺栓直径过大，加之国内螺栓设计偏于保守[1]，使得密封部件粗大厚重，阀盖螺栓选材困难。双层阀盖（见图1）基于伍德式自密封原理，依靠蒸汽工作压力产生的密封力达到密封效果，蒸汽载荷由阀壳与内置止动圈承担，既能保证密封效果又减少了阀盖螺栓直径。

双层阀盖密封设计的关键在于密封圈的接触部位的应力控制。高参数汽轮机的主汽阀蒸汽压力达31 MPa甚至更高，密封圈设计时接触应力过低会使得密封不严，蒸汽泄漏，过高则会降低密封圈使用寿命、增加检修维护难度，甚至产生安全隐患。对于金属密封面密封与流体泄漏问题，实际上是金属密封副表面微观接触状态的问题，因为实际金属密封副接触表面并非理想接触平面，金属密封副表面微观形貌的凹凸不平使得真实接触面积小于名义接触面积，蒸汽从接触面间隙中仍有泄漏，不少学者对此进行了深入研究。袁红兵[2]采用分形理论研究了弹性密封面上流体泄漏量同表面形貌间的关系，研究基于Majumdar和Bhushan提出的粗糙表面的M-B接触模型[3]，忽略表面粗糙成分而用表面波纹度表征密封副密封间隙。田红亮[4]基于粗糙度表面峰高的概论密度为指数分布的假设，研究了密封副弹塑性接触的静密封流量，理论上确定了密封力、密封表面形貌与密封泄漏量的关系。对于工程设计，如何在保证蒸汽泄漏最小的条件下根据加工精度、工况条件进行密封件结构的设计，是本文研究的重点。

1 双层阀盖结构与密封原理

双层阀盖结构如图1所示：密封部件包括阀盖、止动圈压紧环、密封圈、锁紧套筒。该密封结构基于伍德式密封原理，自紧式主动密封，其密封副为密封圈侧边面接触面及浮动锁紧套筒的凸形接触面。锁紧套筒密封面为锥面，工作时蒸汽压力通过锁紧套筒顶盖传递到密封圈上，产生径向与轴向的密封紧力，密封力随压力大小的变化而改变，在温度、压力有波动时密封性能良好。阀壳上的止动凹槽承担绝大部分蒸汽压力载荷，外阀盖仅承受微小压力，外阀盖尺寸大大减小从而避免了大直径螺栓设计和螺栓选材问题。

图1 双层阀盖密封结构

2 表面形貌与密封泄漏

2.1 表面形貌描述

在国标GB/131-2006《产品几何技术规范（GPS）技术产品文件中表面结构的表示法》明确了零件表面质量的影响因素，如图2所示用表面粗糙度（a）、 表面波纹度（b）以及表面几何形状误差（c）描述零件的表面质量。 图 2（a）、（b）、（c）是由于零件表面在机械加工过程中，机床与工具系统的振动、热变形、加工系统误差等因素而形成，无法完全消除。其中表面波纹度、形状误差是直接影响密封副密封效果的关键因素。

图2 表面形貌描述

2.2 密封泄漏

由于密封副表面并非绝对理想平面，而是由凹凸不平的表面形貌组成，介质在密封压差下经由凹凸不平的表面微观沟槽泄漏，构成了密封副的泄漏通道。在制造能力与成本许可的条件下，密封副应尽可能接近零泄漏，即密封副能够阻止介质分子泄漏。对于汽轮机阀门而言，目前机械表面加工精度为微米级，而水分子为纳米级，水蒸汽能顺利从微观通道泄漏。因密封表面波纹度与形状误差客观存在，弹性密封条件下不可避免存在泄漏，而密封副局部塑性变形可使密封表面凹凸部位得到填充，阻断泄漏，所以必须依靠密封元件表面的塑性变形填平密封副间的沟槽，达到理想密封效果。

3 弹塑性密封副模型

3.1 密封副泄漏通道描述

依据Majumdar和Bhushan提出的粗糙表面M-B接触模型[3]，忽略表面粗糙成分等微观细节而用表面波纹度表征密封副密封间隙，用波长为L，波幅为Wz的余弦波谷描述泄漏通道，如图3所示。

图3 密封副表面泄漏通道

3.2 力学模型简化

因塑性变形区域很小，工作应力改变比例不大，忽略塑性变形引起的各向异性的影响，采用双线性等向强化模型能较好反应金属的塑性变形情况。

为描述密封泄漏通道的泄漏量与密封应力的关系，基于M-B接触模型假设，建立了密封副接触表面微观形貌的有限元力学模型（见图4），采用双线性等向强化弹塑性力学模型，模拟接触副受压发生塑性变形过程，以研究密封应力、波长、波幅、材料屈服强度与密封性能的关系。因表面波纹度的波峰与波谷相对位置随机错位分布，当波峰与波峰接触，所构成的泄漏通道面积最大，密封所需的比压也越大，因此本文以波峰与波峰接触的极限条件来考察密封副完全密封所需的最小比压。

（1）材料及性能

计算所用材料性能数据见表1。

表1 密封副材料性能

（2）有限元模型

密封微元模型见图4。

图4 密封微元模型

3.3 密封比压与密封程度

当两个接触副表面受到载荷作用而发生接触时最先接触的是两个波峰部位，接触部位开始是弹性变形（见图5（a）），随着密封副接触面接触压力增加，密封波峰应力首先超过屈服极限，波峰局部发生塑性变形 （见图6），并向两侧塑性流动，填补泄漏通道，密封性能增强（见图5（b））。当密封副下层区域平均应力达到一定值时，金属塑性流动填充整个密封通道，实现完全密封 （见图5（c））。

图5 密封副接触微元接触变形过程与密封程度

图6 波峰部位局部塑性变形

3.4 密封性能与表面波纹度的关系

表面波纹度由波长与波幅表征，依据现有机械加工水平，波纹度平均波幅Wz的允许值按公比排列如下：0．04 μm，0．063 μm，0．10 μm，0．16 μm，0．25 μm， 0．40 μm， 0．63 μm， 1．0 μm， 1．6 μm，2．5 μm， 4．0 μm， 6．3 μm， 10 μm， 16 μm，学术界界定波纹度时的波长波幅比为50～1 000。

由表2看出，在波幅一定，波长波幅比越小时，即密封表面越不平，达到绝对密封所需的密封力越大，且均超过材料的屈服极限。

表2 波幅10 μm时塑性密封情况

图7给出了相同材料不同波幅，不同波长时达到完全密封所需的无量纲密封力，可以看出，相同密封材料密封副达到完全密封所需的无量纲密封力仅与波长波幅比有关。相同波长波幅比条件下达到完全密封的无量纲密封力相同，其密封应力与材料屈服强度成固定比例关系。

图7 波长波幅比-密封应力

图8中给出了相同表面波纹度，不同材料屈服条件下密封副的密封情况，可以看出，相同波高波幅比时达到完全密封的无量纲密封力相同。其密封应力与材料屈服强度成固定的比例关系。所有弹塑性密封副达到完全密封时，波峰波谷基底应力均超过材料屈服极限，依据波长波高比不同而有差异。

图8 密封应力与材料屈服强度关系

4 双层阀盖密封副设计

根据前面对金属弹塑性密封的研究，金属弹塑性密封接触副有两大特点：接触副表面局部塑性变形，基底材料超过材料屈服。在双层阀盖密封设计时，其密封环接触表面应力需超过材料屈服，而为保证密封件安全与寿命要求，密封环本体应力需满足强度要求。因此，在结构上，此类弹塑性密封构件在承力区需采用变应力设计，即接触密封副表层区域达到屈服以上，根据目前加工水平与制造经济性，将接触副表层应力控制在材料屈服强度的1．3～1．4倍可保证接触副密封严密。而密封环其他部位应力应逐步降低，可在密封环密封面上采用多组梯形密封齿实现，见图9。

图9 密封副梯形密封齿

从材料选择上，如果可经常更换密封环、按易损件设计，其材料选择仅需考虑材料强度、硬度、抗氧化性能。如果密封环按非易损件设计，密封环在材料选择与环体应力控制上则需谨慎考虑。首先，应选择塑性较好的金属材料，其显著特点是材料塑性好，作为高压密封部件材料，密封部位容易塑性变形，使密封部位紧密接触。其次，材料长时持久强度高于其屈服强度，保证密封副基底不会因工作时间过长而破坏；接触副下的基底部位高应力区应合理设计在持久强度以下，保证密封部件的长时安全性。密封环密封应力设计安全应力设计区域如图10所示。

图10 密封副接触应力设计域

5 工程应用情况

此前此类型采用双层阀盖的自密封阀门已先后应用于东方 25 MPa、 26．25 MPa、 28 MPa不同参数不同功率等级机组，如浙江六横、神华万州等工程，运行表明密封效果良好，应力较小，大修检查情况理想。

东方二次再热机组主蒸汽压力达到31 MPa，首个项目采用本设计结构和方法，机组于2015年实现双投，保证了机组主阀安全可靠性。

6 结束语

本文以M-B粗糙表面接触模型为基础，采用双向性等向强化模型，研究了考虑密封副接触表面形貌的金属密封条件下，密封副达到完全密封时所需的最小密封应力，结果表明金属完全弹塑性密封所需的无量纲密封力仅与表面波纹度的波长波高比有关，且与材料屈服强度成固定的比例关系。并将研究结果用于双层阀盖密封副设计，指出双层阀盖密封副弹塑性密封的设计要素与特点，为高参数阀门双层阀盖密封设计提供了理论参考。

[1]金永明,王争艳.汽轮机高强度螺栓设计方法探讨[J].热力透平,2004,33(2):96-100,120.

[2]袁红兵,张宏,廉自生,等.液压阀微观密封机理的分析研究[J].煤炭学报,2008,33(6):694-698.

[3]Majumdar A,Bhushan B．Fractal model of elastic-plastic contact between rough surfaces[J]．Journal of Tribology,1991,113(1)：1-11.

[4]田红亮.两弹塑性接触粗糙表面的静密封流量[J].机械设计与制造,2010,(2):57-58.

Study on Elastic-plastic Sealing of Double Valve Cover Seal Pairs

Wang Xin， Zhang Xiaodong， Li Zhiming， Hou Mingjun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK262

A

1674-9987（2017）03-0028-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.007

王鑫 （1984-），男，硕士，毕业于西安交通大学，现主要从事汽轮机总体设计和关键技术研究工作。