郭爱民 张学辉 朱海清

(江南大学机械工程学院)

安全阀是锅炉、压力容器及压力管道等承压类设备上安装的一种超压保护装置，是承压类设备上的安全附件之一。安全阀关闭件(阀座与阀瓣)是保证安全阀正常工作的核心零部件，其密封形式主要是金属对金属密封[1]。安全阀经过一段时间的使用，其密封端面会由于冲蚀和气蚀、腐蚀、擦伤和磨损造成失效。安全阀校验时，对关闭件密封面进行修复是其中一个重要环节，对确保安全阀的密封性能起着决定性作用。

目前，对安全阀阀瓣与阀座密封面研磨维修的质量控制主要依据经验进行判断，对修复人员素质要求较高且工作效率低。修复后的安全阀需在安全阀离线校验台上进行密封性能试验，通过测定在密封压力下的泄漏速率来判定其是否合格。一旦不合格，就需要将安全阀重新拆解进行研磨修复。因此，建立安全阀关闭件表面粗糙度与泄漏速率之间的关系，为其研磨维修制定一个客观的判别标准，对确保安全阀的维修质量、提高工作效率有重要的意义。笔者以金属实际接触情况为研究对象，建立密封端面接触微观三维流体通道，并用Fluent软件对不同工作压力、表面粗糙度下的泄漏情况进行模拟仿真。

1 金属接触密封模型

当前对于金属接触密封的研究多是将金属接触的两个粗糙表面近似视为粗糙表面与理想光滑平面的接触(图1)，利用数学手段[2～5]或试验手段[6,7]来研究其密封性能。然而实际上金属密封是两个粗糙表面的接触，波峰与波谷大量错综复杂的接触交错并产生形变(图2)，关于此类接触模型下的密封性能研究较少。

图1 粗糙表面与理想光滑平面接触

图2 实际粗糙表面间接触

2 安全阀关闭件结构及表面三维模型

图3所示为安全阀关闭件结构简图。

图3 安全阀关闭件结构简图

自相关函数(ACF)描述的是一个时间的随机函数对另一个随机函数的依赖关系。早在1957年，指数-余弦的自相关函数就被证实能够很好地表达实际工程中的许多随机现象，且研究发现许多工程表面在微观尺度上的表面轮廓具有指数自相关函数关系[8，9]，自相关函数能够有效地反应工件表面的纹理信息，能够从空间上描述随机粗糙表面的特征。

笔者是通过基于AR模型的二维数字滤波技术[10]生成指定自相关函数的粗糙表面。首先利用计算机软件产生一个高斯分布的白噪声二维随机序列，计算傅里叶变换A(ωx,ωy)；然后根据自相关函数R(τx,τy)=σ2exp(-2.3((τx/βx)2+(τy/βy)2)1/2)，通过傅里叶变换得到输出序列的功率谱密度C，同时确定输入序列的功率谱密度C；最后计算滤波器的传递函数：

H(ωx,ωy)=(Gz(ωx,ωy)/C)1/2

计算输入高斯序列经二维滤波器后输出序列的傅里叶变换Z(ωx,ωy)：

Z(ωx,ωy)=H(ωx,ωy)A(ωx,ωy)

对Z(ωx,ωy)进行傅里叶逆变换得到粗糙表面的高度分布(图4)，将所得的粗糙表面高度分布转换为三维实体，得到金属表面接触模型(图5)。

图4 微观三维表面

图5 金属表面接触模型

3 密封性能影响分析

3.1基本假设

基于流体力学的基本理论，同时考虑到安全阀密封系统本身结构，对密封面间介质流动流场分析时做如下假设：Kn=λ/h0<0.01 ，其中Kn为克努森数，故可以认为密封面间介质流动属于连续介质流动；密封面间介质做层流运动，流动无漩涡及紊流，且符合牛顿粘性定律，属于牛顿流体，剪应力与速度梯度成正比；密封面间介质层很薄，在厚度方向的介质压力与密度保持恒定。

安全阀密封面为圆环状，对此做如下假设：圆环上表面状况处处相等；圆环所受压力均匀分布；相接触的两表面轮廓中线相互重合。

3.2有限元模型

图6、7分别为安全阀密封面的计算区域及介质流道三维模型。安全阀密封面为圆环状，介质泄漏流经区域为密封面两端面间的间隙区域，由于流场是沿密封环面由内向外轴对称的，则理论上密封环上各区域的流场是相同的，因此选取安全阀密封环面其中一段dr将其视为长方形区域作为计算区域建立模型，根据上节所述方法将得到的Matlab数据导入到AutoCAD生成三维实体模型，再经进一步处理，将得到密封面间三维流道作为研究对象。

图6 密封环计算区域

图7 密封面间介质流道三维模型

模型的网格划分是一个难点，由于流道形状极不规则，存在大量交叉畸变，导致使用Ansys Workbench前处理直接生成的网格质量较差。若网格尺寸设置过小则导致网格数量巨大(几百万个计算单元)，对计算机的性能要求较高。解决对策：将计算区域使用slice工具切块分成多个子区域，分别每个子区域使用patch independent模式进行网格划分；通过多次设置网格大小，在满足计算需求又能保证网格质量的情况下选取最优网格大小。图8所示为计算区域的网格划分。

图8 计算区域网格划分

3.3密封性能分析

图9所示为不同表面粗糙度、不同工作压力下安全阀关闭件的泄漏速率。可以看出，当工作压力为0时，不同的表面粗糙度对密封性能的影响并不大；随着工作压力的增大，不同表面粗糙度情况下的泄漏速率均明显增大。对于金属对金属密封来说，不同的表面粗糙度对泄漏速率的影响非常显著，表面粗糙度为Ra0.8时，泄漏速率过大，难以有效密封；当表面粗糙度达到Ra0.025时，密封性能才得到有所改观。

图9 表面粗糙度对密封性能的影响

4 结束语

由于气体介质的渗透性，利用密封面金属的弹性变形来达到绝对的密封是很难保证的，但此泄漏量只要能得到有效控制使之符合国标中关于安全阀密封性能试验的相关要求即可认为密封性能合格。为使安全阀达到更好的密封性能，一方面须要对加工条件提出严格的要求，即关闭件密封端面表面粗糙度至少要达到Ra0.025，另一方面可以尝试在密封表面加入其作用相当于橡胶等软垫片的粘性密封液来得到可靠的密封。

[1] T.Φ.康德拉契娃著,黄光禹译.安全阀[M].上海：上海科学技术出版社，1982：140.

[2] 冯秀，顾伯勤.金属垫片泄漏模型理论研究[J].润滑与密封，2006，(8)：78～80.

[3] 陆锋，宋丽荣. 法兰与金属垫片密封表面接触分形模型[J].南京工程学院学报(自然科学版)，2008，6(2)：26～31.

[4] 冯秀，陆锋.基于分形理论的粗糙密封表面接触模型[J].苏州大学学报(工科版)，2008，28(3)：29～33.

[5] 冯秀，顾伯勤.金属垫片密封泄漏模型试验研究[J].润滑与密封，2008，(9)：48～50.

[6] 周先军.非金属垫片分形泄漏模型理论分析[J].化工机械，2011，38(2)：193～185.

[7] 刘姝娟，金滔，汤珂，等.铟丝密封件低温密封性能实验研究[J] .低温工程，2013，(1)：7～10.

[8] Bendat J S．Principles and Applications of Random Noise Theory[M]．New York：Wiley，1958．

[9] Tom R Thomas．Rough Surfaces[M]． London：Imperial College Press，1999．

[10] 陈辉，胡元中，王慧，等.粗糙表面计算机模拟[J].润滑与密封，2006，(10)：52～55.