1 概述

安全閥是各種鍋爐、壓力容器(qì)、壓力管道(dào)不可(kě)缺少(shǎo)的安全附件，廣泛應用于石油、化工、電(diàn)站(zhàn)、冶金、核電(diàn)、國防等各個(gè)領域。 安全閥各部位的密封件按接觸型式分為(wèi)金屬密封件和(hé)非金屬密封件。 O型橡膠密封件（以下簡稱O型圈）是非金屬密封件的典型結構。 橡膠是一種彈性高(gāo)分子材料，在受到較小(xiǎo)的應力時(shí)即可(kě)産生(shēng)較大(dà)的變形。 這種變形可(kě)以提供接觸壓力，補償洩漏間(jiān)隙，達到密封的目的。 因此，橡膠密封件比其他形式的密封件更容易實現。 且密封性能優良，無論用于靜密封還(hái)是動密封，洩漏率均可(kě)保持在較小(xiǎo)水(shuǐ)平。 特别是對于動密封，O型圈的運動摩擦阻力很(hěn)小(xiǎo)，可(kě)以适應交變壓力的場(chǎng)合。

2、适用工況條件

安全閥是根據系統工作(zuò)壓力自動開(kāi)啓和(hé)關閉的安全保護閥。 按作(zuò)用原理(lǐ)可(kě)分為(wèi)直接作(zuò)用式和(hé)間(jiān)接作(zuò)用式。 彈簧式安全閥和(hé)先導式安全閥分别是這兩種形式的代表。 以這兩種常用的安全閥為(wèi)例，說明(míng)O型圈的主要應用場(chǎng)合。

(1)低(dī)壓工況

安全閥是一種不依靠外驅動力密封的自動閥門(mén)（帶有(yǒu)輔助裝置的安全閥除外）。 閥座處的密封載荷主要由彈簧預緊力（彈簧直載式安全閥）或工作(zuò)介質壓力（先導式安全閥）提供，密封載荷比其他類型的閥門(mén)小(xiǎo)，密封難度較大(dà)。 當設定壓力較低(dī)時(shí)，彈簧預緊力或工作(zuò)介質的壓力相應較小(xiǎo)，閥座的密封載荷較小(xiǎo)，其他類型的密封形式難以密封。 由于O型圈的高(gāo)彈性，其密封機制(zhì)可(kě)以保證小(xiǎo)載荷下的密封。 在低(dī)壓條件下，閥座處選擇O型圈密封更為(wèi)合理(lǐ)。

(2)動密封條件

先導式安全閥由主閥和(hé)導閥組成，主閥的開(kāi)啓和(hé)關閉由導閥傳感系統壓力來(lái)控制(zhì)。 先導閥內(nèi)部結構緊湊，流道(dào)狹窄，空(kōng)間(jiān)有(yǒu)限，相對運動部件較多(duō)，密封件嚴密。 主閥閥瓣和(hé)導套為(wèi)活塞式結構。 為(wèi)了保證閥瓣與導套形成的腔內(nèi)介質不外漏，同時(shí)安全閥開(kāi)啓時(shí)保持閥瓣良好的運動特性，其軸向動密封大(dà)多(duō)采用O型圈。

(3)洩漏率要求嚴格的工況

與非金屬密封結構相比，金屬密封結構的洩漏率較高(gāo)。 根據API 527規定，金屬密封安全閥座的最大(dà)允許洩漏率取決于流道(dào)面積和(hé)設定壓力，氣泡數(shù)為(wèi)每分鍾20～100個(gè)。 非金屬密封結構的安全閥洩漏氣泡可(kě)低(dī)至0個(gè)/min。 顯然，非金屬密封結構更适合洩漏率要求嚴格的場(chǎng)合。 例如氫氣是小(xiǎo)分子氣體(tǐ)，容易逸出，易燃易爆，非常危險。 因此，認為(wèi)洩漏率的控制(zhì)應該非常嚴格。 在非金屬密封中，O型圈的密封結構比較簡單，并且易于安裝、維護和(hé)更換。 因此，大(dà)量采用O型圈用于含氫工況下閥座的密封。

O型圈橡膠密封件

3、主要密封形式及結構設計(jì)

O型圈屬于擠壓型密封件。 擠壓式密封的基本工作(zuò)原理(lǐ)是依靠密封件的彈性變形在密封接觸面上(shàng)産生(shēng)接觸壓力。 如果接觸壓力大(dà)于被密封介質的內(nèi)部壓力，則不會(huì)發生(shēng)洩漏，反之亦然。 發生(shēng)洩漏。 為(wèi)了保證有(yǒu)效的密封，材料的性能和(hé)密封結構的設計(jì)非常重要。 對于不同類型的密封結構，O型圈的壓縮量和(hé)溝槽設計(jì)是不同的。 安全閥中O型橡膠密封圈的密封形式主要有(yǒu)端面靜密封、往複動密封和(hé)閥座密封。

(1)端面靜密封

先導式安全閥的閥座與閥體(tǐ)之間(jiān)、閥體(tǐ)與蓋闆之間(jiān)的密封屬于端面靜密封，其結構比較簡單。 在靜密封條件下，O型圈在軸向受到擠壓，在壓力作(zuò)用下，會(huì)産生(shēng)徑向蠕變。 因此，設計(jì)O型圈凹槽時(shí)需要考慮壓力的方向。 O型圈在凹槽內(nèi)必須有(yǒu)一定的空(kōng)間(jiān)，O型圈的體(tǐ)積約占凹槽體(tǐ)積的75%。 內(nèi)徑拉伸入槽時(shí)，為(wèi)防止拉伸過度而産生(shēng)過大(dà)的內(nèi)應力，拉伸量應控制(zhì)在線徑的1%～3%，不宜超過5%。 端面密封的壓縮率應控制(zhì)在20%～30%。 為(wèi)了防止應力集中，溝槽底部需要倒圓角，半徑為(wèi)0.2-0.5mm，溝槽內(nèi)粗糙度Ra以1.6μm為(wèi)宜。

(2)往複動密封

先導式安全閥主閥瓣與導套之間(jiān)的密封為(wèi)往複動密封。 由于安全閥是常閉閥門(mén)，動作(zuò)頻率一般很(hěn)低(dī)，動作(zuò)周期短(duǎn)。 正常工作(zuò)狀态下，閥瓣與導向套軸向靜密封，隻有(yǒu)安全閥啓閉時(shí)才有(yǒu)往複運動。 當安全閥打開(kāi)時(shí)，主閥的閥瓣向上(shàng)移動。 安全閥關閉時(shí)，主閥閥瓣向下運動，與一般機械的往複動密封不同，O型圈受到徑向擠壓。 為(wèi)了保證初始密封效果而不影(yǐng)響閥門(mén)的動作(zuò)性能，O型圈的溝槽設計(jì)需要考慮控制(zhì)徑向變形量。 徑向壓縮率應控制(zhì)在10%～15%以內(nèi)，溝槽粗糙度應控制(zhì)在Ra0.8μm以下。 在高(gāo)壓下往複運動時(shí)，O型圈很(hěn)容易被擠出，建議安裝擋圈。

(3) 閥座密封

安全閥的閥座、閥瓣和(hé)O型圈形成的密封面就是閥座密封。 當系統壓力低(dī)于安全閥整定壓力時(shí)，安全閥處于關閉狀态，此時(shí)閥座與閥瓣接觸，在端面形成靜密封。 當系統壓力大(dà)于安全閥整定壓力時(shí)，閥瓣與閥座密封面分離，安全閥開(kāi)啓，釋放系統壓力。 當系統壓力下降到一定值時(shí)，安全閥恢複關閉狀态，閥座與閥瓣再次接觸，在端面形成靜密封。 安全閥在啓閉過程中，壓力的急劇(jù)變化會(huì)對密封面産生(shēng)一定的沖擊，O型圈很(hěn)容易被槽內(nèi)積聚的壓力吹壞或損壞。 因此，閥座密封的O型圈槽設計(jì)不僅要考慮密封性能，還(hái)要考慮閥座與閥瓣密封面分離後O型圈的可(kě)靠性。 閥座密封常見的形式是燕尾槽式，不同的結構在設計(jì)上(shàng)有(yǒu)不同的方案。 閥座密封最重要的是保證凹槽的容積比，防止凹槽開(kāi)口過大(dà)，導緻O型圈被吹出。

4、材料選擇

安全閥常用的O型圈材料一般有(yǒu)氟橡膠（FKM）、丁腈橡膠（NBR）、乙丙橡膠（EPDM）、氟矽橡膠（FVMQ）和(hé)全氟醚橡膠（FFKM）等。 對于超過O型圈使用極限的溫度，或介質對O型圈性能有(yǒu)影(yǐng)響的情況，一般不建議選擇采用O型圈作(zuò)為(wèi)密封件的安全閥。 安全閥中O型圈的選用與溫度、介質、壓力有(yǒu)關。 此外，還(hái)需要考慮各種因素的綜合影(yǐng)響。

(1)溫度

溫度是影(yǐng)響O型圈橡膠密封件使用範圍的關鍵因素之一。 使用溫度一般為(wèi)-60℃至327℃。 針對高(gāo)溫或低(dī)溫條件需要選擇特殊材料以實現有(yǒu)效密封。 在常用的橡膠材料中，全氟醚橡膠具有(yǒu)優異的耐高(gāo)溫性能。 普通(tōng)全氟醚橡膠的工作(zuò)溫度範圍為(wèi)-25℃至240℃，特殊牌号的全氟醚橡膠可(kě)承受316℃或343℃的恒溫間(jiān)歇高(gāo)溫，不會(huì)引起硬化和(hé)脆化失效，因此對于其他橡膠不适合的高(gāo)溫條件，可(kě)以使用全氟醚橡膠。

橡膠在低(dī)溫下會(huì)變脆，失去密封作(zuò)用，所以一般不建議在低(dī)溫環境下使用。 矽橡膠是橡膠材料中耐低(dī)溫性能最好的。 低(dī)溫級牌号可(kě)使用至-100℃，但(dàn)其抗拉強度較低(dī)，耐磨性也較弱。 一般不能用于動态密封，也不适合安全閥密封。 件。 氟矽橡膠的耐低(dī)溫性能僅次于矽橡膠，可(kě)在-60℃至177℃的溫度範圍內(nèi)使用。 在保持矽橡膠耐低(dī)溫性能的基礎上(shàng)，強化了耐化學藥品性和(hé)機械性能。 在低(dī)溫條件下，優選氟矽橡膠。

(2) 中等

安全閥廣泛應用于石油化工、能源電(diàn)力行(xíng)業。 針對不同的介質，需要選擇合适的材料。 氟橡膠具有(yǒu)阻燃性、優良的氣密性、耐臭氧性、耐候性、良好的耐老化性和(hé)廣泛的耐腐蝕性。 适用于無機酸、燃油、純氧、四氯化矽等，在安全閥中廣泛應用。乙丙橡膠具有(yǒu)優良的耐水(shuǐ)、耐蒸汽和(hé)過熱水(shuǐ)性能，适用于電(diàn)力行(xíng)業高(gāo)溫蒸汽工況下的安全閥。 全氟醚橡膠适用于含有(yǒu)芳香烴化合物的有(yǒu)機溶劑，以及含有(yǒu)潮濕硫化氫的介質。

(3)壓力

常用的O型圈的硬度為(wèi)肖氏50-90。 根據O型圈的密封原理(lǐ)，當系統壓力較低(dī)時(shí)，建議使用硬度較低(dī)的O型圈。 當系統壓力較高(gāo)時(shí)，應選擇硬度較高(gāo)的O型圈。 當工作(zuò)壓力超過10MPa時(shí)，最好采用擋圈，以防止O型圈在高(gāo)壓下被擠入密封間(jiān)隙而變形。 另外，當壓力較高(gāo)時(shí)，O型圈容易發生(shēng)“內(nèi)爆”，即O型圈長期處于高(gāo)壓下，高(gāo)壓氣體(tǐ)分子滲透到O型圈內(nèi)部。 當O型圈外部壓力瞬間(jiān)下降時(shí)，內(nèi)部高(gāo)壓氣體(tǐ)分子由于快速擴散很(hěn)容易沖破O型圈。 尤其是閥座密封處的O型圈，當安全閥開(kāi)啓時(shí)，壓力的瞬間(jiān)釋放很(hěn)容易導緻O型圈“內(nèi)爆”，所以在高(gāo)壓條件下，建議這裏的O型圈最好采用高(gāo)密度O型圈或者防爆型O型圈。

五、故障分析及處理(lǐ)

(1)介質不兼容故障

在實際工程中，所選用的O型圈與介質不相容，會(huì)出現腐蝕、溶脹、變形、斷裂等問題，導緻安全閥密封失效。

(2)疲勞失效某天然氣加氫裝置，安全閥整定壓力為(wèi)26MPa，工作(zuò)壓力為(wèi)24.7MPa。 在線運行(xíng)一段時(shí)間(jiān)後，出現漏電(diàn)現象。 安全閥的拆卸檢查發現閥座密封處的 O 形圈斷裂。 經分析，由于實際工作(zuò)壓力波動範圍超出系統預期範圍，且系統工作(zuò)壓力與整定壓力十分接近，導緻安全閥頻繁起跳(tiào)，達到O型圈的壽命極限，導緻O型圈疲勞斷裂失效。 解決辦法是通(tōng)過工藝改進控制(zhì)系統壓力波動，定期更換閥座處的O型橡膠密封圈，使安全閥上(shàng)線後正常運行(xíng)。

(3)變形破壞

與塑料、石墨等其他類型的非金屬密封材料相比，橡膠的硬度較低(dī)，回彈性較好，但(dàn)在高(gāo)溫、高(gāo)壓或兩者兼有(yǒu)的條件下容易變形，導緻密封失效。 對于天然氣管道(dào)，安全閥整定壓力為(wèi)21MPa，選用肖氏硬度75的O型圈。 閥門(mén)運行(xíng)一年後，表面光滑，但(dàn)閥座密封處的O型圈截面已變形為(wèi)矩形槽狀，失去回彈力，導緻密封失效。 當更換為(wèi) 90 肖氏硬度 O 形圈時(shí)，密封效果良好。