1 概述

安全閥是各種鍋爐、壓力容器、壓力管道不可缺少的安全附件，廣泛應用于石油、化工、電站、冶金、核電、國防等各個領域。 安全閥各部位的密封件按接觸型式分為金屬密封件和非金屬密封件。 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。 橡膠是一種彈性高分子材料，在受到較小的應力時即可產(chǎn)生較大的變形。 這種變形可以提供接觸壓力，補償泄漏間隙，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(xiàn)。 且密封性能優(yōu)良，無論用于靜密封還是動密封，泄漏率均可保持在較小水平。 特別是對于動密封，O型圈的運動摩擦阻力很小，可以適應交變壓力的場合。

2、適用工況條件

安全閥是根據(jù)系統(tǒng)工作壓力自動開啟和關閉的安全保護閥。 按作用原理可分為直接作用式和間接作用式。 彈簧式安全閥和先導式安全閥分別是這兩種形式的代表。 以這兩種常用的安全閥為例，說明O型圈的主要應用場合。

(1)低壓工況

安全閥是一種不依靠外驅動力密封的自動閥門（帶有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）或工作介質壓力（先導式安全閥）提供，密封載荷比其他類型的閥門小，密封難度較大。 當設定壓力較低時，彈簧預緊力或工作介質的壓力相應較小，閥座的密封載荷較小，其他類型的密封形式難以密封。 由于O型圈的高彈性，其密封機制可以保證小載荷下的密封。 在低壓條件下，閥座處選擇O型圈密封更為合理。

(2)動密封條件

先導式安全閥由主閥和導閥組成，主閥的開啟和關閉由導閥傳感系統(tǒng)壓力來控制。 先導閥內部結構緊湊，流道狹窄，空間有限，相對運動部件較多，密封件嚴密。 主閥閥瓣和導套為活塞式結構。 為了保證閥瓣與導套形成的腔內介質不外漏，同時安全閥開啟時保持閥瓣良好的運動特性，其軸向動密封大多采用O型圈。

(3)泄漏率要求嚴格的工況

與非金屬密封結構相比，金屬密封結構的泄漏率較高。 根據(jù)API 527規(guī)定，金屬密封安全閥座的最大允許泄漏率取決于流道面積和設定壓力，氣泡數(shù)為每分鐘20～100個。 非金屬密封結構的安全閥泄漏氣泡可低至0個/min。 顯然，非金屬密封結構更適合泄漏率要求嚴格的場合。 例如氫氣是小分子氣體，容易逸出，易燃易爆，非常危險。 因此，認為泄漏率的控制應該非常嚴格。 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、維護和更換。 因此，大量采用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

O型圈屬于擠壓型密封件。 擠壓式密封的基本工作原理是依靠密封件的彈性變形在密封接觸面上產(chǎn)生接觸壓力。 如果接觸壓力大于被密封介質的內部壓力，則不會發(fā)生泄漏，反之亦然。 發(fā)生泄漏。 為了保證有效的密封，材料的性能和密封結構的設計非常重要。 對于不同類型的密封結構，O型圈的壓縮量和溝槽設計是不同的。 安全閥中O型橡膠密封圈的密封形式主要有端面靜密封、往復動密封和閥座密封。

(1)端面靜密封

先導式安全閥的閥座與閥體之間、閥體與蓋板之間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，在壓力作用下，會產(chǎn)生徑向蠕變。 因此，設計O型圈凹槽時需要考慮壓力的方向。 O型圈在凹槽內必須有一定的空間，O型圈的體積約占凹槽體積的75%。 內徑拉伸入槽時，為防止拉伸過度而產(chǎn)生過大的內應力，拉伸量應控制在線徑的1%～3%，不宜超過5%。 端面密封的壓縮率應控制在20%～30%。 為了防止應力集中，溝槽底部需要倒圓角，半徑為0.2-0.5mm，溝槽內粗糙度Ra以1.6μm為宜。

(2)往復動密封

先導式安全閥主閥瓣與導套之間的密封為往復動密封。 由于安全閥是常閉閥門，動作頻率一般很低，動作周期短。 正常工作狀態(tài)下，閥瓣與導向套軸向靜密封，只有安全閥啟閉時才有往復運動。 當安全閥打開時，主閥的閥瓣向上移動。 安全閥關閉時，主閥閥瓣向下運動，與一般機械的往復動密封不同，O型圈受到徑向擠壓。 為了保證初始密封效果而不影響閥門的動作性能，O型圈的溝槽設計需要考慮控制徑向變形量。 徑向壓縮率應控制在10%～15%以內，溝槽粗糙度應控制在Ra0.8μm以下。 在高壓下往復運動時，O型圈很容易被擠出，建議安裝擋圈。

(3) 閥座密封

安全閥的閥座、閥瓣和O型圈形成的密封面就是閥座密封。 當系統(tǒng)壓力低于安全閥整定壓力時，安全閥處于關閉狀態(tài)，此時閥座與閥瓣接觸，在端面形成靜密封。 當系統(tǒng)壓力大于安全閥整定壓力時，閥瓣與閥座密封面分離，安全閥開啟，釋放系統(tǒng)壓力。 當系統(tǒng)壓力下降到一定值時，安全閥恢復關閉狀態(tài)，閥座與閥瓣再次接觸，在端面形成靜密封。 安全閥在啟閉過程中，壓力的急劇變化會對密封面產(chǎn)生一定的沖擊，O型圈很容易被槽內積聚的壓力吹壞或損壞。 因此，閥座密封的O型圈槽設計不僅要考慮密封性能，還要考慮閥座與閥瓣密封面分離后O型圈的可靠性。 閥座密封常見的形式是燕尾槽式，不同的結構在設計上有不同的方案。 閥座密封最重要的是保證凹槽的容積比，防止凹槽開口過大，導致O型圈被吹出。

4、材料選擇

安全閥常用的O型圈材料一般有氟橡膠（FKM）、丁腈橡膠（NBR）、乙丙橡膠（EPDM）、氟硅橡膠（FVMQ）和全氟醚橡膠（FFKM）等。 對于超過O型圈使用極限的溫度，或介質對O型圈性能有影響的情況，一般不建議選擇采用O型圈作為密封件的安全閥。 安全閥中O型圈的選用與溫度、介質、壓力有關。 此外，還需要考慮各種因素的綜合影響。

(1)溫度

溫度是影響O型圈橡膠密封件使用范圍的關鍵因素之一。 使用溫度一般為-60℃至327℃。 針對高溫或低溫條件需要選擇特殊材料以實現(xiàn)有效密封。 在常用的橡膠材料中，全氟醚橡膠具有優(yōu)異的耐高溫性能。 普通全氟醚橡膠的工作溫度范圍為-25℃至240℃，特殊牌號的全氟醚橡膠可承受316℃或343℃的恒溫間歇高溫，不會引起硬化和脆化失效，因此對于其他橡膠不適合的高溫條件，可以使用全氟醚橡膠。

橡膠在低溫下會變脆，失去密封作用，所以一般不建議在低溫環(huán)境下使用。 硅橡膠是橡膠材料中耐低溫性能最好的。 低溫級牌號可使用至-100℃，但其抗拉強度較低，耐磨性也較弱。 一般不能用于動態(tài)密封，也不適合安全閥密封。 件。 氟硅橡膠的耐低溫性能僅次于硅橡膠，可在-60℃至177℃的溫度范圍內使用。 在保持硅橡膠耐低溫性能的基礎上，強化了耐化學藥品性和機械性能。 在低溫條件下，優(yōu)選氟硅橡膠。

(2) 中等

安全閥廣泛應用于石油化工、能源電力行業(yè)。 針對不同的介質，需要選擇合適的材料。 氟橡膠具有阻燃性、優(yōu)良的氣密性、耐臭氧性、耐候性、良好的耐老化性和廣泛的耐腐蝕性。 適用于無機酸、燃油、純氧、四氯化硅等，在安全閥中廣泛應用。乙丙橡膠具有優(yōu)良的耐水、耐蒸汽和過熱水性能，適用于電力行業(yè)高溫蒸汽工況下的安全閥。 全氟醚橡膠適用于含有芳香烴化合物的有機溶劑，以及含有潮濕硫化氫的介質。

(3)壓力

常用的O型圈的硬度為肖氏50-90。 根據(jù)O型圈的密封原理，當系統(tǒng)壓力較低時，建議使用硬度較低的O型圈。 當系統(tǒng)壓力較高時，應選擇硬度較高的O型圈。 當工作壓力超過10MPa時，最好采用擋圈，以防止O型圈在高壓下被擠入密封間隙而變形。 另外，當壓力較高時，O型圈容易發(fā)生“內爆”，即O型圈長期處于高壓下，高壓氣體分子滲透到O型圈內部。 當O型圈外部壓力瞬間下降時，內部高壓氣體分子由于快速擴散很容易沖破O型圈。 尤其是閥座密封處的O型圈，當安全閥開啟時，壓力的瞬間釋放很容易導致O型圈“內爆”，所以在高壓條件下，建議這里的O型圈最好采用高密度O型圈或者防爆型O型圈。

五、故障分析及處理

(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，會出現(xiàn)腐蝕、溶脹、變形、斷裂等問題，導致安全閥密封失效。

(2)疲勞失效某天然氣加氫裝置，安全閥整定壓力為26MPa，工作壓力為24.7MPa。 在線運行一段時間后，出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。 安全閥的拆卸檢查發(fā)現(xiàn)閥座密封處的 O 形圈斷裂。 經(jīng)分析，由于實際工作壓力波動范圍超出系統(tǒng)預期范圍，且系統(tǒng)工作壓力與整定壓力十分接近，導致安全閥頻繁起跳，達到O型圈的壽命極限，導致O型圈疲勞斷裂失效。 解決辦法是通過工藝改進控制系統(tǒng)壓力波動，定期更換閥座處的O型橡膠密封圈，使安全閥上線后正常運行。

(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，回彈性較好，但在高溫、高壓或兩者兼有的條件下容易變形，導致密封失效。 對于天然氣管道，安全閥整定壓力為21MPa，選用肖氏硬度75的O型圈。 閥門運行一年后，表面光滑，但閥座密封處的O型圈截面已變形為矩形槽狀，失去回彈力，導致密封失效。 當更換為 90 肖氏硬度 O 形圈時，密封效果良好。