1、概述

安全阀是各类锅炉、压力容器和压力管道等设备不可缺少的安全附件，广泛应用于石油、化工、电站、冶金、核电、国防等各个领域。安全阀的各部位密封按照接触类型分为金属密封和非金属密封，O形橡胶密封圈( 以下简称O 形圈) 属于非金属密封的典型结构。橡胶是具有弹性的高分子材料，给予较小的应力就能产生较大的变形，这种变形可以提供接触压力，补偿泄漏间隙，达到密封的目的，因此橡胶密封相对其他形式的密封更容易实现，且密封性能优良，无论是用于静密封还是动密封，泄漏率都可保持在较小程度。特别对于动密封，O 形圈的运动摩擦阻力很小，可适应于压力交变场合。

2、适用工况

安全阀是一种根据系统的工作压力自动启闭的安全保护用阀，按作用原理可分为直接作用式和非直接作用式，弹簧载荷式安全阀和先导式安全阀分别是这两种形式的代表。以这两种常用安全阀为例说明O 形圈的主要应用场合。

(1) 低压工况

安全阀是一种自动阀门，不依靠外部驱动力作用而密封( 带辅助装置的安全阀除外) ，其阀座处密封载荷主要由弹簧预紧力( 弹簧直接载荷式安全阀) 或者工作介质的压力( 先导式安全阀) 提供，密封载荷相比其他类型的阀门要小，密封更困难。当整定压力较低时，弹簧预紧力或工作介质的压力相应的较小，阀座密封载荷较小，其他类型的密封形式很难密封。由于O 形圈具有高弹性，其密封机理能保证在较小负载荷下实现密封，低压工况下，阀座处密封选用O型橡胶密封圈比较合理。

(2) 动密封工况

先导式安全阀由主阀和导阀组成，依靠导阀感应系统压力控制主阀的启闭。导阀内部结构紧凑，流道狭小，空间位置有限，相对运动零件很多，密封部位紧密。主阀阀瓣与导套之间为活塞式结构，为保证阀瓣与导套形成的腔室内介质不外泄，同时又要保持阀瓣在安全阀开启时具有良好的运动特性，其轴向的动密封多数情况下采用O 形圈。

(3) 泄漏率要求严格的工况

相对于非金属密封结构，金属密封结构泄漏率较高。按照API 527的规定，金属密封的安全阀阀座的最大允许泄漏率依流道面积和整定压力的不同，其气泡数为20 ～ 100 个/min。而非金属密封结构的安全阀其泄漏的气泡可低至0 个/min。显然非金属密封结构更适用于泄漏率要求严格的场合。例如，氢气属于小分子气体，容易逸散，易燃易爆，十分危险，因此认为对泄漏率的控制要十分严格。在非金属密封中，O 形圈的密封结构相对简单，安装、维护和更换简便，因此含氢工况阀座处密封大量使用O 形圈。

3、主要密封形式及结构设计

O形圈属于挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。为了保证形成有效的密封，材料的性能和密封结构的设计至关重要，对于不同类型的密封结构，O 形圈的压缩量和沟槽设计各不相同。安全阀中O型橡胶密封圈的密封形式主要有端面静密封、往复动密封和阀座密封。

(1) 端面静密封

先导式安全阀的阀座与阀体之间、阀体与盖板之间等端面的密封均属于端面静密封，其结构较为简单。静密封工况下，O 形圈在轴向受到挤压，在压力作用下，会产生径向蠕动，因此设计O 形圈沟槽时需要考虑压力的方向。O 形圈在沟槽内必须有一定的空间，O 形圈体积占沟槽容积的75% 左右比较合适。内径拉伸装入沟槽时，为防止过度拉伸使材料产生过大的内部应力，拉伸量控制在丝径的1% ～ 3%为宜，不要超过5%。端面密封的压缩率要控制在20% ～ 30%。为防止应力集中，沟槽底部需要倒圆角，半径取0. 2 ～ 0. 5mm，槽内的粗糙度Ra取1. 6μm 为宜。

(2) 往复动密封

先导式安全阀的主阀阀瓣与导套之间密封为往复动密封。由于安全阀属于常闭式阀门，动作频率一般很低，运动周期短。正常工作状态时，阀瓣与导套之间为轴向静密封状态，只在安全阀开启和关闭过程中才有往复运动。安全阀开启时，主阀阀瓣向上运动。安全阀关闭时，主阀阀瓣向下运动，与一般机械的往复动密封情况不同，O 形圈在径向受到挤压。为保证初始密封效果，又不影响阀门动作性能，O 形圈的沟槽设计需考虑控制径向变形量。径向压缩率应控制在10% ～ 15% 内，沟槽的粗糙度应控制在Ra0. 8μm 以下。在高压情况往复运动时，O 形圈很容易被挤出，建议安装挡圈。

(3) 阀座密封

安全阀的阀座与阀瓣及O 形圈形成的密封面为阀座密封。当系统压力小于安全阀整定压力时，安全阀处于关闭状态，此时阀座与阀瓣接触形成端面静密封。当系统压力大于安全阀整定压力时，阀瓣与阀座密封面脱离，安全阀开启泄放系统压力。当系统压力降低到一定值后，安全阀恢复关闭状态，阀座与阀瓣重新接触，形成端面静密封。在安全阀开启和关闭的过程中，压力的急剧变化会对密封面产生一定的影响，O 形圈很容易被沟槽内部积聚的压力吹出或者损坏。因此阀座密封的O 形圈沟槽设计不仅要考虑密封性，还要考虑阀座与阀瓣密封面脱离后O 形圈的可靠性。阀座密封常见的一种形式为燕尾槽式，不同的结构在设计时有不同的方案。对于阀座密封最重要的是既要保证沟槽的容积率，又要防止沟槽开口过大，导致O 形圈被吹出。