浙江华夏阀门有限公司            徐长祥

摘要：泊松比既是材料的液性指数又是材料的不可压缩性指数，或泊松比值越大到接近0.5的固体材料，其液性和不可压缩性越好；密封环的自密封在于将环柱面上的介质压力，正交转换为环端面上的密封应力；因此，一切软固体材料密封环，都可通过一个环高变形补偿角，将其随环柱面压力的环高变形，补偿到泊松比μ=0.5的液体的受压正交变形程度，而按自密封工作。

关键词：轴向密封  径向密封  密封机理  液性流动  固性楔动  初始密封接触  泊松补偿角 有缚密封环

1 前言

密封，按密封面的法线方向，可分为轴向密封和径向密封；轴向密封，是用密封环的端面作密封面，可叫端面密封；径向密封，是用密封环的柱面作密封面，可叫柱面密封。现有技术的密封平垫，一般用作端面密封，如法兰连接密封，但都不是按自密封工作的。现有技术的O形密封圈，都是按自密封工作的，既可用作端面密封，也可用作柱面密封。新发现的自密封机理告知，传统的平垫密封应当被更具可靠性的自密封取缔，科学的O形圈密封绝非是引起挑战号空难的现有技术结构。本文，以法兰连接的密封为例，阐述材料的自密封机理及应用。

2 材料的液性及其密封价值

泊松比，是受力材料的垂直加载方向的应变对加载方向的应变比。纯液体的泊松比μ= 0.5，普通固体的泊松比大于0小于0.5；材料的体积模数(不可压缩性指数) K = E/[3(1-2μ)]，其中E是材料的弹性模数；因此，泊松比既是材料的液性指数又是材料的不可压缩性指数，或泊松比值越大到接近0.5的固体材料的液性和不可压缩性越好。常用固体高分子材料，如聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶，其分子链段的局部热运动似管中流体紊动，其整个分子链似流体输送管，既有固性又有液性^[1][2]【见图1^[1]，图中虚线所示链段是一个其热运动似流体在其分子链管中紊动的链段】，其泊松比接近0.5；其它泊松比远离0.5的似乎无液性的固体软材料，如柔性石墨，可通过材质液性补偿角θ_l，补偿到完全有液性(见图2和下面第3章)；材质液性补偿角θ_l是一种不同于刚性楔动角的固性楔动角，固性楔动致被楔动的固体变形，对应液性流动和刚性楔动，刚性楔动致被楔动的刚体上的作用力放大。因此，一切软材质密封环，都可按图2那样的装满液体的密封环(02)工作，全数将其柱面上的介质压力转换为其端面上的密封应力，即其可按自密封工作，并通过按h = ka和k > 1+a/d设计^[3]，确保其上的介质密封作用面积(其接触介质的内柱面积)大于其上的介质去密封作用力面积(其密封端面积)，或确保其上的介质密封作用力大于其上的介质去密封作

用力，或确保其密封维持系数m大于1，提供高可靠密封。

图1似流体在分子链管中紊动的分子链段

图2 材质液性补偿角θ_l

3密封材料的液性的掌控

3.1 密封料环的正交变形与正交压力传递

密封料环在受到介质压力变形时，其泊松变形(应变)比：

    μ= ε_h/ε_c             【高度应变/周长应变】

      = (Δ_h/h)/(2πΔr/2πr)  【周长应变=半径应变】

      = (rΔ_h)/(hΔ_r)               【Δ_h/Δ_r= μh/r】

因此，如果将垂直加载方向(垂直环径的环高)的泊松变形/应变/应力，叫正交变形/应变/应力，则密封料环在受到介质压力变形时，其正交变形(环高变形)：

    Δ_h = (μh/r)Δ_r= (tgθ)Δ_r             (a)

其中，μ是密封材料的泊松比，ε_c是密封料环变形时的周长应变(纵向应变或半径应变)，ε_h是密封料环变形时的高度应变(横向应变或正交应变)，r是密封料环的内半径，h是密封料环的高度，Δ_r是密封料环的半径变形，Δ_h是密封料环的正交变形，tgθ是密封料环的正交变形率。

由此可知，密封材料的泊松比值越小，受压密封料环的正交变形或应力响应越小，正交压力传递性或自密封性自然越差。

3.2 密封料环的材质液性补偿(正交变形的补偿)

材料越软，越像液体一样易受压变形或流动；材料泊松比越接近0.5，材料越不可压缩；因此，一切软而不可压缩的固体材料，可像液体一样在压力作用下及时各向相同流动或相同传递压力。由于材料的泊松比值一般为大于0小于0.5，因此，一切易受压变形的固体材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、橡胶和柔性石墨，都需要一个如图2所示的材质液性补偿角θ_l，使其拥有泊松比μ=0.5时的正交变形响应或不可压缩响应，能如液体般地正交传递压力，以满足自激密封工作要求。其实，材质液性补偿角相当于把材料由大空间楔入足够小的空间，增加材料的正交变形或应力响应，达到液体般的正交压力传递效果。

3.3 密封料环的边界接触补偿(正交变形的抵消)

初始密封接触，是一种在大气温度压力下所实现的密封接触，对软材料，一般用手指头拧紧便可实现；无初始密封，便无自增强密封的压力或便无自密封。如图3所示，密封料环(02)因其缚腔(ΦD')的径向间隙(C)，在介质压力下，将发生环周增和环高减的泊松变形，致环脱离初始密封接触。实际上，对于有液性的密封料环，只有其径向和轴向接触同时无间隙时，才能及时依托其不可压缩性正交传递压力或实现自激密封。然而，环的制造误差和材料的热胀冷缩系数差，往往会致环边界接触有间隙，因此，对有液性的密封料环还需要一个边界接触补偿角θ_c，及时抵消间隙所致的与泊松比值成正比的受压正交变形，始终维持其轴向的初始密封接触。

图3 边界接触补偿角θ_c

3.4 密封料环的基本泊松补偿角θ_e

根据前述讨论，材质液性补偿，是旨在补偿其径向边界接触无隙时由泊松比值不足0.5所致的密封料环的正交变形的不足；边界接触补偿，是旨在抵消其径向边界接触有间隙时由间隙所致的密封料环与泊松比值成正比的正交变形。因此，如果液性补偿和接触补偿分别按泊松比值为0和0.5充分补偿，则按正交变形公式(a)，任何密封材料，因其泊松比值皆大于0和小于0.5，便都有彼此相等的一充分液性补偿角θ_l和一充分接触补偿角θ_c，并可统称为基本泊松补偿角θ_e:

tgθ_e= (μh)/r = h/d           (b)

其中h，密封料环高度

d = 2r，密封料环内径

μ= 0.5，达到充分补偿的泊松比值。

3.5 实际泊松补偿角θ_x的取值考虑

如图4所示，实际泊松补偿角θ_x越大，密封料环在沿径向受压变形时，其正交变形或应力响应越大，即其自激密封性越好；但是，当补偿角决定的高度随半径的变化率大于由环和缚腔的材料温度系数差所致的高度随半径的变化率(h/r)时，在热胀冷缩中，泊松补偿角将致密封料环脱离密封接触。因此，按公式(b)，

♦在密封设计不能避免密封料环因热胀冷缩而脱离初始密封接触时，

    ●对于材质接近有液性的密封料环，其泊松补偿角θ₁可取(2tgθ_e =) h/r> tgθ₁> h/d (= tgθ_e)，主要补偿环的边界接触性，附带补偿材质的液性，

    ●对于材质接近无液性的密封料环，其泊松补偿角θ₂可取lim tgθ₂= lim tg2θ_e= h/r (= 2tgθ_e)，以同时补偿材质的液性和环的边界接触性；

♦在密封设计能避免密封料环因热胀冷缩而脱离初始密封接触时，

●无论密封料质液性好与坏或泊松比值大与小，其泊松补偿角θ₃可取tgθ₃≥ h/r (= 2tgθ_e)。

图4 实际泊松补偿角θ_x

4 密封料环的热胀冷缩控制需求

4.1 被径向束缚需求(大规格常温工作需求)

聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶是常用密封材料。常温下，聚四氟乙烯的热胀冷缩系数是钢的十多倍，橡胶的热胀冷缩系数是钢的数十倍；温度变化时，规格越大，密封料环直径相对其金属缚腔直径变化越大，可以大得或因过盈配合而致环无法安装，或因过大间隙而致环无正常工作所需的承压边界；例如，一个100mm直径的聚四氟乙烯垫，温度变化50ºC，相对其钢缚腔直径变化0.8mm左右；一个4000mm直径的聚四氟乙烯垫，温度变化100ºC，相对其钢缚腔直径变化64mm左右。加之其冷流遏制需求(冷流将致密封应力下降而致密封失效)，所以，非金属密封料环的最直观需求，就是使其内外同时受金属环径向束缚，拥有一个不受环境温度影响的固定不变的直径，以基本满足其安装和工作需求。

4.2 被轴向束缚需求(高温工作需求)

受到径向束缚的密封料环，在高低温循环中势必沿轴向伸缩，致其高度在某个温度时缩小至不可能维持初始密封接触；但此时，无疑可通过有较小局部高度而又有收缩引起隆起变形的尖角，继续维持初始密封接触；或者说，密封料环，除需径向约束外，还需尖角提供轴向约束，以满足高温循环要求。

4.3被自动吞吐需求(超高温工作需求)

显然，在高低温循环中工作的密封料环，在某个温度下充分填满容腔后，唯有其容腔能随更大的温度变化而自动增减容积或自动吞吐料环的体积变化，才可在更不利的极限温度下阻止发生致其解除束缚或致其脱离初始密封接触的衬环塑性收缩，即超高温循环服务中的密封料环需要被自动吞吐。

5 小结

环的径向束缚，是阻止环径向因热胀冷缩产生接触间隙，降低环对正交变形补偿或抵消的需求；环的轴向束缚和自动被吞吐，是及时利用环的热胀冷缩加强环的轴向接触，或对环实施正交变形补偿或抵消。对于径向两侧有束缚的密封料环，其径向尺寸基本不再随温度变化，即温度变化基本不会致其泊松补偿角度面脱离同其束缚面的接触；对于轴向两端局部有束缚的密封料环，即使无径向束缚，温度变化也不至于会致其有适当长度的泊松补偿角度面完全脱离同其束缚面的接触；因此，对于四向均有束缚的密封料环，其泊松补偿角可按θ₃取(见3.5)。

6 典型的有缚密封环

图5所示为一种符合前述要求的典型有缚密封环，由非金属密封料环(02)及其金属缚环(01)和金属衬环(03)组成。

衬环由软金属制成，外压致其应力面积增，内压致其应力面积减，势必比硬蛋壳还蛋壳地更能抗外压而不抗内压，因此，加之非金属与金属强度相差悬殊，很薄的金属衬环就可充分阻止非金属密封料环的自由收缩而又不影响其自激密封性。所以，图5所示的一个径向受薄金属衬环和稍厚金属缚环束缚的非金属密封环，就能拥有一个不受环境温度影响的固定不变的直径，基本满足其安装和工作要求。

如图5的红色细实线所示，碗底阔(h₄)等于0的碗形曲线为V形曲线，碗口阔(h₂)等于碗底阔(h₄)时的碗形曲线为右边衬环的矩形曲线。对密封料的束缚，矩形曲面在其轴向最强，V形曲面在其斜向最强，弧形面既有适度轴向束缚又有适度斜向束缚。因此，当密封料环随较大温度变化而沿轴向缩小时，其矩形肩部局部，将因肩高比环高小而有一个滞后脱离的初始密封接触，将因肩翘变而有一个加强的密封接触，其弧形肩部局部，将紧贴缚环而彻底消除可引起径向膨胀而影响自激密封的径向间隙；当密封料环在胀满封闭容腔后再经历更不利的温度变

化时，将通过衬环的中部形状和高度尺寸的同时变化而自动适应料环的体积变化(见图5的蓝色细实线)，阻止衬环的端部直径发生塑性缩小变形，从而阻止密封料环整体或局部脱离初始密封接触。

图5的密封料环在全部四个方向都有束缚，因此，其泊松补偿角可按θ₃取(见第5章)，即图中V形曲面的泊松补偿角θ'₃、弧形曲面的泊松补偿角(θ_x)和碗形曲面的泊松补偿角θ"₃均可等于θ₃，并有θ'₃ > θ_x > θ"₃，其密封材料可是聚四氟乙烯(PTFE)也可是柔性石墨。

图5 典型有缚密封环

鉴于柔性石墨的凝结强度低，易于受压坍塌和被介质冲刷，因此，柔性石墨料不宜配用图5的肩开式矩形衬环(03)，而宜配用肩闭式的矩形衬环(图6)和圆弧衬环(图7)。

图6 肩闭式矩形衬环型

图7 肩闭式圆弧衬环型

有缚密封环需要安装在一个能承受压力的缚腔

中才能工作。要轻松安装，在缚环同其缚腔间必然需要一定径向安装间隙。如果该间隙不能通过装配自动消除或通过介质压力自动补偿，那么，它将致密封极限压力降低(见3.3节)。消除该间隙的最简单最有效的方法是使缚环和缚腔成一体，或者说是将缚环的内形面结构在缚腔壁上而不再使用分离缚环。本文一般提及的有缚密封环都不特指其是分离式缚环结构还是整体式缚环结构。

7 有缚密封环在法兰连接中的用法

7.1 法兰的端面结构

有缚密封环，可用作两个直接对接或间接对接法兰端面的密封单元。如图8所示，用作两个直接对接法兰端面间的密封单元时, 要求一个特设端面法兰(A)和一个全平端面法兰(B)(见图2~4)；特设端面用作密封面，全平端面用作被密封面，密封环安装在特设端面上有直径和深度要求的缚腔中。如图9所示，用作两个通过垫对接的法兰端面间的密封单元时, 要求两个全平端面法兰(B)和一个两面皆是特设端面(A)的承压疆环(04), 密封环安装在疆环的束缚通腔中, 疆环有厚度要求, 通腔有直径要求。

   A  特设端面法兰

01  金属缚环，推荐与法兰制成一体 02  密封软料环

03  金属衬环                      05  齿顶面

06  微观密封齿环                  07  宏观支撑齿环

图8 用作两个直接对接法兰端面间的有缚密封环

如图8和图9所示, 在特设端面(A)上，可有两个用于密封全平端面(B)或填平补齐全平端面(B)的凸凹不平的微观密封齿环(06)和一个用于支撑被密封或被对接的全平端面(B)的宏观支撑齿环(07)。宏观支撑齿环和微观密封齿环可在一次切削走刀中完成，确保齿顶(05)同面。微观密封锯齿环，受压时被斜面紧跟和保护，反复装配对其密封线和被其密封面都无损伤。因此，利用支撑齿环的支撑，首先可消除法兰在装配和工作中绕其密封接触圆翻转，确保一个径向充分均匀的非金属密封接触；然后加上使用省去法兰间隙检查操作的ASME PCC-1的力矩递增紧固轮次和十字交叉紧固程序装配，可充分消除螺栓的不对称紧固或过紧固，确保一个周向充分均匀的非金属密封接触；

最后加上利用两个密封齿环间的支撑面积远大于支撑齿环的接近0的初始支撑面积的特性，可消除支撑齿环对密封齿环的密封的影响或干涉，确保一个充分安全的金属密封接触。有缚密封环径向和周向的充分均匀密封接触，意味着法兰连接有一个充分安全的非金属密封接触。所以，通过有缚密封环和支撑与密封齿环所提供的法兰密封连接，有两个彼此独立的充分安全的非金属和金属密封系统，非常可靠。

01  金属缚环，推荐与疆环(04)制成一体

02  密封软料环            03  金属衬环

04  承压疆环              05  齿顶面

06  微观密封齿环          07  宏观支撑齿环

图9用作两个间接对接法兰端面间的有缚密封环

7.2 法兰的端面尺寸

如图8和图9所示，有缚密封环的内径(Φd₃)是按余进圆整后的EN 1092-1表A-1的管外径(ΦA)整数值，密封环壁厚(a)是按递增至11地取EN 1092-1表A-1的次最小壁厚，于是有密封环的外径Φd₂ = Φd₃ + 2a。特设端面(A)上的Φd₁/ΦK/ΦD_o/n-ΦL是EN1092-1的相关规定尺寸。因此，加之有缚密封环是按自密封工作的，一个尺寸规格的法兰用密封环可满足该规格的任何压力的密封需求，或者说，法兰用密封环只分尺寸规格不分压力级别，而且其对应的金属管壁厚值就是法兰制造和安装的总同轴度允差半值。

法兰用密封环的使用尺寸Φd₃/Φd₂/a/h如表1所列，其中h = ka，k > 1 + a/d₃ ^[3]，在于确保密封环上的介质密封作用面积(其接触介质的内柱面积)大于其上的介质去密封作用力面积(其密封端面积)，或在于确保其上的介质密封作用力大于其上的介质去密封作用力，或在于确保其密封维持系数m大于1，能始终维持可靠密封。

8 经济技术效果

本法兰密封连接的设计理念是空前的，因此，其经济技术效果也是空前的。

首先，接近手指头拧紧本法兰密封连接，无论是用聚四氟乙烯(PTFE)还是柔性石墨作密封材料，在材料不发生相变或分解前，无论压力多高多低，只要承压件不破裂，本法兰密封连接永远都不会因密封本身失效而泄漏，在总体上，是现有垫密封技术所完全不能及的，因此，加之本法兰密封连接有微观锯齿环的金属密封保护和实际密封连接永远不可能松弛到手指头拧紧的地步，无疑，本密封连接技术将致一个泄漏无忧时代的诞生。

其次，本密封环的应用只要求一个在直径和深度上适合其安装的缚腔，与现有平垫密封技术相比，无需繁琐的螺栓载荷设计和安装保障程序，与现有O形环密封技术相比, 无需繁琐的缚腔设计或选择，因此，本密封环的设计或选用与应用成本低、风险小、可靠性高。

再其次，本密封环只分尺寸规格不分压力级别，或者说，一个尺寸规格的密封环可满足该规格的任何压力的密封需求，因此，与现有的平垫密封技术相比，本密封技术将致密封件的系列规格和品种锐减及各单件批量剧增，显著降低密封件的制造、库存和应用成本。

再其次，本密封技术的各种密封环是一种只用聚四氟乙烯(PTFE)或柔性石墨密封材料的结构相似密封元，并且能胜任美国ASME B16.5指定的Ia、Ib、IIa、IIb、IIIa和IIIb六组密封垫或欧洲EN1514-1~8规定的七组密封垫所能胜任的全部端面密封任务，因此，可显著降低密封的设计、选用、制造、库存、使用、维修等成本。

最后，本密封技术使用的聚四氟乙烯和柔性石墨密封材料，几乎耐一切腐蚀, 几乎不老化变质, 可回收再利用, 因此，加之可填补修复，密封环有无限寿命而无材料废弃所致的浪费和污染；所以，加之密封无泄漏而无泄漏所致的浪费和污染，与现有平垫密封技术相比，本密封技术十分节能环保。

9 结束语(材料的自密封机理)

按新提出的材料自密封机理设计的法兰密封连接，接近手指头拧紧，可通过任何高低压力测试，便可充分证明该原理是科学的并适合一切端面密封设计。该原理可归纳如下：

密封垫的自密封是将其柱面上的介质压力全数转换为正交端面上的密封应力，或者说，是需要垫能够正交传递压力；根据泊松变形，受压的密封料环的正交变形/应变/应力(响应)，是由泊松比值大小决定的，而密封用材料的泊松比值皆大于0和小于0.5；因此，一切固体软料环，都可通过一个叫材质液性补偿角的楔角，将其受压时的正交变形响应，补偿到具有泊松比值等于0.5的受压液体一样的正交变形响应或达到等同液体的压力传递程度而用作自密封环。对于有液性的密封料环，只有其径向和轴向边界接触同时无间隙时，才能及时靠其液性正交传递压力或实现自密封；然而，环的制造误差和材料的热胀冷缩系数差，往往会致环边界接触有间隙；因此，密封料环还需要一个边界接触补偿楔角，及时抵消其受压时由间隙所致的与泊松比值成正比的正交变形，始终维持其密封接触。所以，对一切固体密封软材料，无论其有无液性，其自密封甚至非自密封设计，都在于楔角设计，以有效利用料的固性楔动(一种不同于刚性楔的楔动)和液性流动，而楔角越大、尖角越宽敞或越圆滑，越有利其固性楔动的变形补偿和液性流动的压力传输，但楔角不能大到热胀冷缩致其脱离同补偿角度面的接触。

参考文献

[1] 何曼君等. 高分子物理. 中国上海：复旦大学出版社, 第3 版，第107页。

[2] Jin Wang etc,Observing a True Liquid Behavior on Polymer Thin Film Surfaces, Argonne National Laboratory Reports (www.aps.anl.gov) 1999, Argonne USA

[3] 徐长祥. 密封结构原理与槽垫密封结构. 石油化工设备，2009年第5期；荷兰：阀门世界亚洲，2009年研讨会与博览会

Abstract：The Poisson's ratio of a material indicates both its liquid behavior and its incompressibility; the greater and nearer to 0.5 the Poisson's ratio of a solid material, the better its liquid behavior and its incompressibility. The sealing task for a self-sealing ring is to fullychange themedium pressure onits inner cylinder orthogonally into thesealing stress onits end face. Therefore, any soft solid ring can work as a self-energizing seal when compensated for its axial deformation under radial pressure up to the orthogonally deformating degree of a liquid with a Poisson's ratio of 0.5 by a compensation angle.

Keywords：Axial seal, Radial seal, Sealing mechanism, Liquid flowing, Solid wedging, Primarily seated contact, Poisson's compensation angle, Bonded ring