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。