概述
阀门作为一种压力管道元件，在工业系统中承担着“咽喉”的作用，对整个系统的安全、稳定运行具有重要意义。其中，固定式硬密封球阀由于在使用过程中耐高压、耐磨损等性能优异而应用最为广泛。然而在使用过程中，由于磨损以及介质的腐蚀等原因，容易造成密封失效，威胁整个系统。据统计，每年世界上有超过30%的阀门失效来源于密封失效。
目前，相关学者对球阀的密封性能开展了大量的研究。秦龙等以不同口径、不同压强下球阀的金属垫片为对象，研究法兰凹槽对不同垫片密封性能的影响；许家祥等以稳压器喷淋阀为例，通过数值模拟及实验验证解决该阀门的密封磨损问题，并进行结构优化；谢建国等提出一种可以在线检测泄漏的硬密封球阀，大大提升了阀门的背压密封效果；曾和友等提出一种可以组合密封的阀座结构，降低了球阀的内漏风险。
在球阀密封领域的研究已经相当完善，本文以某规格的球阀为研究对象，通过理论计算与数值仿真的方法，研究阀门在关闭状态下密封垫片上的压力分布及其特性，为球阀后续的优化设计提供参考。
模型建立
本文所研究的球阀结构示意图如图1所示，高压切断球阀主要由阀体、阀盖、阀座、球体、阀杆、阀杆垫片、无头销钉、支撑板、六角螺栓、限位开关、O形圈、轴用弹性挡圈等结构组成。该球阀的入口、出口直径均为37.9 mm。流经球阀的介质选用L-HS46号液压油，阀爆破压力120 MPa，标称压力42 MPa。密封垫片材料选择聚甲醛，模型的初始预紧力为1200 N。
图1 球阀结构示意图
作为衡量密封面间压紧程度的关键参数，密封比压的值直接决定了阀门抵抗介质渗漏的能力，在理想情况下，较高的密封比压能够增强密封面的接触紧密度，从而有效减少泄漏通道的形成。然而，过高的密封比压会引入额外的机械应力，可能导致密封材料的塑性变形、裂纹扩展或加速磨损，反而削弱密封效果。
在球阀旋转过程中，球体与阀座之间的相对运动会产生摩擦，而密封比压对摩擦具有显著影响。当密封比压低于某一临界值时，摩擦损耗主要受到材料固有特性和润滑条件的影响，损耗率相对较低且稳定。然而，一旦密封比压超过该临界值，摩擦界面上的接触应力急剧增加，导致磨损机制发生转变，如从轻微磨损转变为严重磨损或粘着磨损，进而引发损耗率的急剧上升。
因此，为了保证阀门密封稳定性，需要在保证密封性能的同时，尽量选择较小的密封比压。
密封比压计算
阀座密封面有锥面密封和平面密封这两种密封形式。本文球阀采用锥面密封，阀座密封面窄于阀板密封面。
由于实际上密封面不能达到理想的完全接触，间隙和通道一直是存在的，因此密封不可能在密封面的内沿实现。当密封面存在一定的密封比压时，表面部分波峰被挤入波谷，增大了密封副的接触面积，形成有效的密封环，经过类似迷宫式的沟槽通道后介质压力逐渐降低，最后在中途被阻断。
3.1 必需密封比压
根据相关经验公式，阀门密封面的必需密封比压qMF的经验公式为：
（1）
式中 c——密封面材料系数
K——比压值影响系数
P——工作压力
bm——密封面宽度
球阀的密封垫片材料为聚甲醛，属于工业塑料，对于橡胶、塑料密封面而言，c=0.4，K=0.6，该球阀的工作压力P=42 MPa，密封面宽度为15.6 mm，计算求得该工况下的球阀必需密封比压qMF为31 MPa。
3.2 许用密封比压
许用密封比压的值与材料属性相关，查相关资料可知，当密封面无滑动摩擦时，聚甲醛的许用密封比压为39 MPa，当密封面有滑动摩擦时的许用比压为[q]=85 MPa。
3.3 理论计算
当阀门处于关闭状态时，球阀靠预紧力和介质压力将球体紧紧地压在出口端阀座密封面上，达到球阀的安全密封。其密封面上总作用力如图2所示，密封面上的比压q的计算公式如下：
（2）
式中 N——球体对阀座密封面上的法向压力
AMH——密封面的环带面积
N值与球体中心至密封面内径的距离l1、球体中心至密封面外径的距离l2等参数有关，经计算得N值为71050 N；而密封面环带面积AMH为1100 mm2。将参数代入上式中，计算可得该球阀密封面上的密封比压为q=64.6 MPa。
图2 浮动球球阀出口端阀座密封圈受力图
因此，该球阀密封面上的密封比压qMF<q<[q],满足要求，密封面能够实现密封。
球阀密封仿真分析
理论计算只能计算密封面上密封比压的近似平均值，因此需要借助CFD技术对密封面上密封比压及其分布进行精确计算。本节采用ANSYS Workbench模拟球阀正常关闭状态下密封面上密封比压的分布情况。
4.1 材料属性
阀芯材料选用316L，其密度为7.98 g/cm3，该材料的屈服强度为300 MPa，弹性模量为200 GPa，泊松比取0.3；垫片的材料选用聚甲醛，该材料的密度为1.43 g/cm3，屈服强度为80 MPa。
4.2 仿真前处理
采用ANSYS Workbench模拟球阀的阀芯和阀座接触时密封面的压力分布情况。为了提高计算速度，对模型进行简化，在Design Modeler中去除不影响结果的局部特征，只留下球体和垫片三个部件，创建的模型如图3所示。
图3 球阀装配模型
由于模型几何结构不规则，采用自动化分的方法进行网格划分，网格单元尺寸为1.5 mm，网格数量为57000，最小网格尺寸为0.12，网格质量合格。接触设定为摩擦，摩擦系数为0.15。
4.3 加载及求解
球阀的相关参数设置见图4，在左垫片上设置1200 N的初始预紧力，右垫片设置固定支撑和圆柱形支撑，在左边球面设置42 MPa的均匀液体压力，凹槽上设置位移约束，防止球体转动。该模型是为了计算球阀在关闭状态下右垫片上密封面的受压情况。
图4 球阀参数设置图
密封面的压力分布见图5，密封面压力分布不均匀是由于结构的不对称造成的。球芯的空心结构导致图5密封面中上下部分受到的压力小而左右部分受到的压力较大；左右部分受到的压力不相等是因为球体中有凹槽结构的存在。从图中可以看出，密封比压值在密封面宽度方向上呈现出两端大中间小的特点，这是因为在密封过程中，球体与阀座的密封面相对固定，在受到初始预紧力和介质的压力之后，密封面内外径轴向相对于中部变形裕量小，受到的挤压力大，最大压力为142MPa。由于该球阀的必需密封比压为31MPa，许用密封比压为85MPa，当密封压力在这两个压力范围时，密封面可以实现介质的阻断。
图5 密封面压力分布情况
由图5的仿真结果可知，在密封面的上下端密封比压接近零，这是由于球芯的空心结构造成的，因此可以通过减小球体中空的直径，增大球体厚度来改善；在整圈范围内均有密封比压合格的区域，但是存在的宽度有限，可以通过改变压力角的角度进行改善，具体还需要后续进行仿真计算；图5最左端出现压力最大值可能是由于网格质量差造成的应力集中，可以通过增大圆角半径、提高网格质量进行改善。
结语
本文通过理论计算与数值仿真的方法对球阀密封垫片进行仿真分析，研究在关闭状态下阀门密封垫片上的密封情况。
（1）球阀采用锥面密封形式，密封垫片材料选择聚甲醛，其必需密封比压为31MPa，许用密封比压为85MPa，密封面上的密封比压需大于必需密封比压、小于许用密封比压才能保证密封合格。
（2）由于结构的不对称造成了密封面上压力分布的不对称，大约有60%区域的密封比压值在必需密封比压和许用密封比压的范围内。最大密封比压为142 MPa，超过许用密封比压值，这可能是由于部分区域的网格质量较差，计算时使用的是弹性理论没有考虑塑性变形造成的。可以通过减小球体中空的直径，增大球体厚度改善结构的不对称性；增大垫片的圆角半径，减少应力集中；提高网格质量，降低网格对模拟结果的影响。
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