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第9期
图1 泛塞密封圈
表1 泛塞不同结构形式特点比较
泛塞密封圈技术发展现状
陈林
（江苏神通阀门股份有限公司， 江苏 启东 226232）
[摘 要] 泛塞密封圈由于其较宽的温度使用范围、良好的耐腐蚀和密封性能而被广泛应用于各工业领域。但在一些苛刻的场合，如超低温超高压的应用中，其密封性能的可靠性仍比较低，相关的研究成果比较
缺乏。针对该领域这一研究现状，对泛塞密封圈的结构和密封原理、材料及制造工艺、有限元分析方法等研究成果进行了全面的综述。分析了存在的问题并提出了后续的研究关注点，可供相关技术人员开展研究和设计提供了参考借鉴。[关键词] 泛塞密封圈；弹簧蓄能；聚四氟乙烯；综述
作者简介：陈林（1984—），男，江苏启东人，博士，高级工程师。主要研究方向为阀门相关技术研发。
1 前言
泛塞密封圈，又称为弹簧蓄能密封圈、唇型蓄能密封圈等（Lipseal,Spring seal,Spring energized seal,Veriseal ），最早在1975年由宝霞板密封集团所属美国泛塞公司研制而成[1]，并从1975年起推出了三种不同结构，奠定了后续泛塞密封圈的基本结构。
泛塞密封圈通常由外侧的非金属密封夹套和内侧的金属弹簧组合而成（图1）。泛塞密封圈由于其优越的密封性能，常被用于传统O 型圈无法胜任的场合，如高压干气密封循环氢压缩机[2]，工作压力高达105MPa 超高压油田井口节流阀[3]和安全阀[4]。在超低温LNG 系统中，密封材料必须具备优越的耐低温特性（-196℃），因此泛塞密封圈在潜液泵、加注[5]中得到了大量应用。在LNG 球阀中，泛塞密封圈在阀杆、体盖和阀座中均可使用[6-10]
，通过合理的设计，可满足单活塞和双活塞的功能需求[8]
。考虑深海环境的压力、水质成分、腐蚀
V型 C型 H型
图2 泛塞弹簧的结构形式和可靠性，进行深海作业的机械臂[11]和仿生机器人[12]也经常采用泛塞密封设计。另外，在普通微小泄漏即有可能造成爆炸、剧毒释放等灾难事故的特种化工行业，泛塞密封圈也一直是高可靠性的密封手段[13,14]。2 结构与密封原理
按照内置支撑弹簧的结构形式不同，泛塞密封圈分为三种主要结构，V 型、C 型和H 型（见图2），具体区别比较如表1所示。
弹簧形状特点及使用场合V型V型弹簧适用于旋转或往复动密封场合，弹簧
刚度较小，变形和载荷呈线性。只能提供较小和中等的载荷
C型C型弹簧又称为斜圈弹簧，特点是在其较大的
变形范围内均可维持平稳的载荷，特别适用于对摩擦力变化非常敏感的场合
H型倾斜螺旋薄片状弹簧，变形量小但可以承受
较大的载荷，适合于静态和缓慢运动的动态条件
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安全密封
石油和化工设备2019年第22卷
图3 泛塞工作原理
表2 泛塞弹簧常用材料特性
如图3所示，泛塞密封圈工作时主要承受三种力：（1）密封圈内外侧和安装沟槽内侧之间过盈产生的接触力；（2）弹簧预变形施加在夹套内侧的径向力；（3）介质进入夹套内侧形成的侧向密封力。
在介质压力较低时弹簧预变形提供的侧向载荷起主要作用，而在高压下密封则主要依靠介质对夹套的挤压完成。因此泛塞密封在高压和低压下均有良好的密封性能，并在夹套材料变形允许的范围内，介质压力越高，泛塞的密封性能越好。3 材料3.1 夹套材料
密封圈夹套主体材料为PTFE ，具备很强的稳定性，具有较高的熔点和耐热性能，优良的电绝缘性能和极优异的介电性能，耐腐蚀、辐照性能突出，摩擦系数较低等优点[15]。但是PTFE 也存在机械强度低、回弹性差、断裂延伸率大、线膨胀系数大等缺点。在长期负载下，易发生蠕变冷流，耐磨性也较差。文献[13]中对纯PTFE 中添加了青铜粉、MoS 2等材料。改性后其拉伸强度、伸长率出现了不同程度的降低，但是压缩强度得到了提升，摩擦系数也出现了上升。文献[3]指出在添加石墨粉、铜粉和固体MoS 2能有效抑制PTFE 的冷流性。3.2 弹簧材料
泛塞用弹簧的常用材料有AISI301、Elgiloy 、Inconel718、HastelloyC276等材料。一些特殊场合
弹簧材料材料特性
300系列不锈钢最常用的材质：301、304在20%氯化钠溶液
中可产生晶间腐蚀和应力腐蚀，316、316L
可在中等浓度的氯化钠溶液、稀酸稀碱中耐腐蚀性能良好
H a s t e l l o y C276HastelloyC276具有出的耐点蚀、缝隙腐
蚀和应力腐蚀性能，适用于各种浓度的硫
酸液和热浓硫酸溶液
Elgiloy 镍基高温合金，含镍50%以上，650~1100℃
温度范围具有较高强度、较好的抗氧化和耐腐蚀性能
Inconel 718Inconel 718合金是含铌、钼的沉淀硬化型
镍铬铁合金，在650℃温度以下时具有高强度、良好的韧性以及在高低温环境均具有优良的耐腐蚀性
3.3 支撑环材料
支撑环通常选用硬质材料，常用材料为聚醚醚酮和聚酰亚胺等。聚醚醚酮机械物理性能优异。聚酰亚胺高温机械强度高，耐辐照性能优异[13]。4 制造工艺4.1 夹套
密封圈夹套通过车削成形，一般先车外圆，再用成形车刀加工密封圈夹套内部沟槽。在加工沟槽时，为避免夹具破坏已经成型的外圆面，通常会在密封圈外圆上套一个PTFE 材质的环形工装。车床三爪卡盘夹持在环形工装的外圆面进行
沟槽的加工。
图4 密封夹套的车削加工
也可选用不同橡胶材料O 型圈或硅树脂圈来替代金属弹簧，主要用于低压密封且轴跳动较大的工况[13]
。
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第9期 陈林 泛塞密封圈技术发展现状
4.2 弹簧
V/U 型弹簧是将薄片条钢通过冲压或化学腐蚀的工艺加工出镂空形状，再通过模具加工出圆V 形或U 形[16]。C 型弹簧又被成为斜圈弹簧[17,18]，一般有三种加工方式：（1）绕制成直线长度的斜圈弹簧，再折弯焊接成环形；（2）利用环形模具将环形弹簧直接绕制成斜圈的环形弹簧；（3）现将环形弹簧制成正圆，然后再沿周向转动和径向挤压成型。H 型加工方式和C 型类似，只需将圆柱弹簧丝替换成扁平的钢带卷制。
由于需要将弹簧做成环形，所以卷制完后需要对弹簧进行焊接，需要注意的是弹簧长度应比夹套沟槽中线周长略长一些，否则易造成弹簧在接口处脱离使密封失效[19]
。
图6 泛塞弹簧在接口处脱离
5 有限元分析泛
当前对密封圈的试验开展主要集中在原材料分析、磨损试验和压力试验[21]等。面对客户多变的工况和材质需求，密封圈的设计和分析通常通过有限元分析的方式进行，以缩短研发时间和降低开发成本。5.1 夹套模型
耿志祥等[22]通过ANSYS 对泛塞密封圈进行了分析，得出其性能优越，完全可以取代橡胶和金属O 型圈。兰晓冬等[23]对采油树节流阀用泛塞密封圈进行了仿真分析，仿真时直接采用其二维截面进行，弹簧模型被省略。认为在高压下对密封圈起主要密封作用的力来自于介质的压力，弹簧的径向力和密封圈和安装槽之间的接触压力相比
忽略不计。臧平等[3]则对节流阀用泛塞圈进行了有弹簧和无弹簧条件下仿真模型的分析，斜圈弹簧条件下，安装完毕后弹簧给密封夹套的预紧力为2.5MPa ，相对105MPa 的超高压工况可以忽略。认为超高压下密封圈和弹簧将出现分离，但是未能给出解释。5.2 弹簧模型
不论弹簧实际结构如何，通常采用二维模型进行分析时，弹簧直接采用其某一截面形状进行分析[17,22,24]，将其处理成固定刚度[25]或固定载荷[26]，但是显然这种处理方法存在一定的分析误差。贾晓红等[27,28]则对弹簧的三维建模展开了研究，认为该类弹簧可以等效成二维变截面弹簧。如图7所示，该二维变截面弹簧为一薄壁圆环，但是在和夹套相接触的地方存在一段壁厚加厚的圆弧段。用该模型进行分析泛塞装配后的接触压力能得到和厂家数据较为接近的结果。田乾等[29]则直接采用片状弹簧
的实际三维模型开展分析研究，为简化模型，仅选取了整圈弹簧周期性结构的1/40。通过对比不施加弹簧作用的夹套受力分析，在同样35MPa 内压下，弹簧作为辅助密封元件，提供了额外13MPa 的压力，增幅接近20%。这说明即便在高压下夹套受力变形，弹簧也并不会
和夹套完全分离，分析时不能省略弹簧。
图7 二维变截面弹簧模型
6 泛塞密封系统设计的注意点
泛塞密封圈的性能和其使用工况以及安装处的零部件硬度和表面粗糙度密切相关，机械零部件的适宜硬度应在HRC60~70之间[13]。表面粗糙度不是越小越好，通过PTFE 环和316L 和45#钢进行干摩擦试验的结果表明，PTFE 磨损量最小时316L 表面的最佳粗糙度为Ra0.5~0.9um ，而45#钢则为Ra0.4~1.2um [2]。通常系统温度在-196～0℃时，配
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7 研究展望
泛塞密封技术经过近几十年的发展，已经取得了丰硕的成果，但未来在以下两个方面仍需开展重点研究：
（1）超低温工况下完整密封系统的有限元仿真分析。超低温下泛塞密封圈和安装槽的尺寸将同时发生收缩，但是密封夹套、蓄能弹簧和安装槽三者的线膨胀系数均不一样，此时密封的接触压力是否能可靠满足密封要求仍存在不确定性。因此后续需要建立包含安装槽所在零件在内的泛塞有限元分析模型，对整个密封系统的性能进行模拟分析。
（2）国家或行业标准的建立。作为一种密封元件，很有必要参照橡胶O型圈制定国家和行业标准。通过标准化，对泛塞的尺寸、材质、性能指标、安装槽尺寸和试验方法等作出规定。这对进一步推广泛塞密封圈的使用范围、缩短产品供货周期、降低成本和提升该类产品的质量都有积极作用。[10] 郁勇. LNG上装式超低温固定球阀阀座密封研究[D].兰州：兰州理工大学，2016.
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