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(yīng)用于石油、化工、電站、冶金、核電、國防等各個領(lǐng)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(jié)構(gòu)。 橡膠是一種彈性高分子材料，在受到較小的應(yīng)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(bǔ)償泄漏間隙，達(dá)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(shí)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(yùn)動摩擦阻力很小，可以適應(yīng)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(guān)閉的安全保護(hù)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(dǎo)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(yīng)用場合。

(1)低壓工況

安全閥是一種不依靠外驅(qū)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(yù)緊力（彈簧直載式安全閥）或工作介質(zhì)壓力（先導(dǎo)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(dāng)設(shè)定壓力較低時，彈簧預(yù)緊力或工作介質(zhì)的壓力相應(yīng)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(jī)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(dǎo)式安全閥由主閥和導(dǎo)閥組成，主閥的開啟和關(guān)閉由導(dǎo)閥傳感系統(tǒng)壓力來控制。 先導(dǎo)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，流道狹窄，空間有限，相對運(yùn)動部件較多，密封件嚴(yán)密。 主閥閥瓣和導(dǎo)套為活塞式結(jié)構(gòu)。 為了保證閥瓣與導(dǎo)套形成的腔內(nèi)介質(zhì)不外漏，同時安全閥開啟時保持閥瓣良好的運(yùn)動特性，其軸向動密封大多采用O型圈。

(3)泄漏率要求嚴(yán)格的工況

與非金屬密封結(jié)構(gòu)相比，金屬密封結(jié)構(gòu)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(shè)定壓力，氣泡數(shù)為每分鐘20～100個。 非金屬密封結(jié)構(gòu)的安全閥泄漏氣泡可低至0個/min。 顯然，非金屬密封結(jié)構(gòu)更適合泄漏率要求嚴(yán)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(rèn)為泄漏率的控制應(yīng)該非常嚴(yán)格。 在非金屬密封中，O型圈的密封結(jié)構(gòu)比較簡單，并且易于安裝、維護(hù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(zhì)的內(nèi)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要。 對于不同類型的密封結(jié)構(gòu)，O型圈的壓縮量和溝槽設(shè)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端面靜密封、往復(fù)動密封和閥座密封。

(1)端面靜密封

先導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)O型圈凹槽時需要考慮壓力的方向。 O型圈在凹槽內(nèi)必須有一定的空間，O型圈的體積約占凹槽體積的75%。 內(nèi)徑拉伸入槽時，為防止拉伸過度而產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力，拉伸量應(yīng)控制在線徑的1%～3%，不宜超過5%。 端面密封的壓縮率應(yīng)控制在20%～30%。 為了防止應(yīng)力集中，溝槽底部需要倒圓角，半徑為0.2-0.5mm，溝槽內(nèi)粗糙度Ra以1.6μm為宜。

(2)往復(fù)動密封

先導(dǎo)式安全閥主閥瓣與導(dǎo)套之間的密封為往復(fù)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(dǎo)向套軸向靜密封，只有安全閥啟閉時才有往復(fù)運(yùn)動。 當(dāng)安全閥打開時，主閥的閥瓣向上移動。 安全閥關(guān)閉時，主閥閥瓣向下運(yùn)動，與一般機(jī)械的往復(fù)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(shè)計(jì)需要考慮控制徑向變形量。 徑向壓縮率應(yīng)控制在10%～15%以內(nèi)，溝槽粗糙度應(yīng)控制在Ra0.8μm以下。 在高壓下往復(fù)運(yùn)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(dāng)系統(tǒng)壓力低于安全閥整定壓力時，安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時閥座與閥瓣接觸，在端面形成靜密封。 當(dāng)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(dāng)系統(tǒng)壓力下降到一定值時，安全閥恢復(fù)關(guān)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(nèi)積聚的壓力吹壞或損壞。 因此，閥座密封的O型圈槽設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)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(dǎo)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(zhì)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(zhì)、壓力有關(guān)。 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(guān)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(shí)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(qiáng)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(nèi)使用。 在保持硅橡膠耐低溫性能的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化了耐化學(xué)藥品性和機(jī)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(yīng)用于石油化工、能源電力行業(yè)。 針對不同的介質(zhì)，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(jī)酸、燃油、純氧、四氯化硅等，在安全閥中廣泛應(yīng)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(jī)溶劑，以及含有潮濕硫化氫的介質(zhì)。

(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(dāng)系統(tǒng)壓力較低時，建議使用硬度較低的O型圈。 當(dāng)系統(tǒng)壓力較高時，應(yīng)選擇硬度較高的O型圈。 當(dāng)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(dāng)壓力較高時，O型圈容易發(fā)生“內(nèi)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(nèi)部。 當(dāng)O型圈外部壓力瞬間下降時，內(nèi)部高壓氣體分子由于快速擴(kuò)散很容易沖破O型圈。 尤其是閥座密封處的O型圈，當(dāng)安全閥開啟時，壓力的瞬間釋放很容易導(dǎo)致O型圈“內(nèi)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(zhì)不兼容故障

在實(shí)際工程中，所選用的O型圈與介質(zhì)不相容，會出現(xiàn)腐蝕、溶脹、變形、斷裂等問題，導(dǎo)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(yùn)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(shí)際工作壓力波動范圍超出系統(tǒng)預(yù)期范圍，且系統(tǒng)工作壓力與整定壓力十分接近，導(dǎo)致安全閥頻繁起跳，達(dá)到O型圈的壽命極限，導(dǎo)致O型圈疲勞斷裂失效。 解決辦法是通過工藝改進(jìn)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(yùn)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(dǎo)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(yùn)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(dǎo)致密封失效。 當(dāng)更換為 90 肖氏硬度 O 形圈時，密封效果良好。