阀门硬密封面摩擦磨损的研究进展

阀门是过程控制系统中控制流体流动的关键基础部件，广泛应用于石油化工、电力、轻工等国民经济命脉行业，在流体输送、压力调节和安全保护等方面发挥着不可替代的作用。随着国家重大工程向高温、高压、高参数方向发展，阀门在极端工况下的长期可靠运行能力，尤其是密封可靠性，受到了更高的考验与要求。

世界上三分之一的阀门失效是由于密封失效。而密封失效会引发环境污染、系统压力异常等问题。尤其是在核电等国家重大工程中，阀门的密封失效与泄漏会导致机组热效率下降，甚至引发放射性高温高压介质泄漏等安全问题。硬密封方法以金属或硬质合金为密封副材料，通过阀座与启闭件接触面的机械贴合实现介质截断，因其耐高温高压与耐冲蚀的性能在过程工业中得到广泛应用。但是阀门硬密封面的摩擦磨损劣化，也是造成密封失效和泄漏的主要因素之一。

阀门硬密封面摩擦磨损是指阀门在长期服役过程中，由于频繁启闭、介质冲刷以及固体颗粒磨蚀等因素，持续承受接触压力和相对运动作用，逐渐发生材料损失、表面粗糙度增加、微观形貌劣化以及密封比压下降等问题。这种劣化具有累积性和不可逆性，会使密封面间形成泄漏通道，最终导致密封性能丧失。摩擦磨损劣化过程受载荷、速度、温度、介质特性及材料配对等多因素耦合影响，其机理复杂且与实际工况密切相关。因此，深入揭示硬密封面的摩擦状态演变规律与磨损劣化机理，对于从根本上提升阀门密封可靠性、延长服役寿命具有重要的理论价值和工程意义。

为此，本文在系统综述阀门硬密封面摩擦状态与磨损机理研究进展的基础上，总结了干摩擦与润滑摩擦条件下的密封接触特性、磨粒磨损和粘着磨损等主要形式的演变规律与影响因素、磨损率预测方法以及抗磨材料选择与表面处理技术的应用现状，以期为阀门硬密封结构优化与密封可靠性提升提供理论参考。

在研究密封面的劣化状态时首先要明确密封面的摩擦状态，可以通过测量密封端面的常见性能参数如磨损率、摩擦温升、密封面膜厚等以直观反映密封面的接触状态。接触面间的摩擦形式可以分为干摩擦和润滑摩擦。

2.1  干摩擦

目前，研究干摩擦的密封形式主要有两种，即机械密封和往复密封。在机械密封中，通过动静环之间的贴合作用，防止泄漏以保证设备的长期稳定运行。陈志等基于W-M分形理论，对机械密封端面在干摩擦状态下的接触特性进行分析，通过建立三维的粗糙实体与光滑实体之间的热-力耦合模型，分析了密封端面的最大接触压力范围，并说明了标准中规定机械密封中介质压力范围的合理性。动静环干摩擦接触特性如图1所示。陈小亚等为探究非接触式机械密封端面上的表面织构结构对摩擦性能的影响，设计了三种不同形状的表面织构并进行运行条件下的试验和理论研究，结果表明导向槽可以改善密封面的摩擦性能，且E形导向槽的性能最好。对于机械密封端面的织构结构，相关学者探究了表面粗糙度对摩擦性能的影响，表明织构结构可以减少密封面的干摩擦导致的磨损效应。

图1 动静环干摩擦接触特性

往复密封是一种用于相对往复运动部件之间的密封装置，主要用于防止流体泄漏，并且该装置可以减少摩擦和磨损。针对往复密封中的密封接触面之间的摩擦作用，彭超等对航空动作器在往复密封环境中的摩擦泄漏特性，以及密封面上摩擦力的内在演变机制进行了相关研究。刘新锋等研究了往复密封中的摩擦生热，并系统性地提出了往复密封中摩擦生热的建模及分析方法。张新标等则是对往复密封面的影响因素进行了系统的分析，重点研究了摩擦系数对密封面的密封性能影响，并讨论了密封面的磨损作用失效的影响。密封面间的干摩擦作用原理如图2所示。Pan等开发了一种新型往复摩擦试验装置，可以仅根据位置和腔室压力来测量液压缸在不同条件下的摩擦力，并研究了不同因素对稳态、动态摩擦力的影响。

图2 密封端面干摩擦作用原理图

上述研究表明，干摩擦条件下密封端面的接触压力分布、温升特性及磨损行为受表面形貌、材料配对与工况参数显著影响，基于分形理论与表面织构优化的研究有效揭示了其接触力学机制。然而，干摩擦通常被视为摩擦磨损最为剧烈的状态，工程上往往通过引入润滑介质或构建润滑膜以缓解界面损伤，因此润滑摩擦条件下的密封特性研究亦受到广泛关注。

2.2  润滑摩擦

润滑摩擦旨在通过润滑技术减少摩擦，降低磨损并提高机械效率。由于干摩擦被认为是摩擦磨损中最激烈的状态，通常会尽可能避免干摩擦而采用润滑摩擦，因此国内外学者对润滑摩擦进行了大量研究。甘豪等使用摩擦磨损试验研究了磨粒尺寸对摩擦学特性的影响，结果表明在摩擦的不同阶段，磨粒尺寸对往复摩擦的影响不同，研究结果可以为理论分析摩擦磨损机理提供支撑。Zhang等对螺旋槽机械密封中有磁流体润滑的部件的密封性能进行了研究，结果表明磁性流体中的磁性纳米颗粒的参数会对摩擦力产生较为明显的影响。Bai等对气体润滑的粗糙密封接触面的接触特性进行了分析，建立了热弹性润滑接触模型，分析了表面粗糙度对不同速度和压力下端面密封接触分布、变形和温度的影响。Vladescu等对液压油润滑的密封材料之间的接触进行了滑动摩擦测试，捕捉并分析在特定条件下发生的振动，结果表明，滑动摩擦导致两种振动的发生，润滑剂可以显著降低振动。除此之外，还有学者对零摩擦进行了研究。Mario等开发了一种套筒式唇形密封件，该密封件具有镰刀形背部结构设计，可以在接近零摩擦的条件下运行，其结构如图3所示。

图3  弹性零摩擦唇密封结构示意图

润滑摩擦通过磁流体、气体润滑及近零摩擦结构设计等手段，可显著降低密封端面的摩擦系数与磨损速率，其润滑膜的形成与稳定性受介质特性、表面粗糙度及运行工况等多因素耦合调控。尽管润滑条件可在一定程度上改善界面摩擦状态，但密封面在长期服役过程中仍不可避免地发生材料损失与微观形貌劣化，其具体磨损形式及演化规律有待进一步系统阐述。

在密封面的接触过程中，摩擦是不可避免的现象，持续的摩擦会造成密封面表面材料的损失、微观形貌的改变等，进而导致密封面之间的配合精度下降、泄漏通道的形成，最终会严重影响密封面的可靠性和使用寿命。因此，深入研究密封面的磨损机制，对于提升密封件的耐用性、稳定性与安全性具有重要的工程意义。尤其是对于阀门密封，磨损也是造成其密封失效的主要因素之一。在实际工况中，阀门密封面的磨损形式复杂多样，常见的主要包括磨粒磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、汽蚀磨损、微动磨损等，具体的阀门密封面磨损形式见表1。这些磨损形式往往相互耦合、共同作用，显著降低阀门密封性能，缩短阀门使用寿命。通过系统研究磨损机理与影响因素，可为材料选择、表面处理、结构优化及工况控制提供理论依据，从而有效延长密封系统寿命，提升设备运行的安全性与经济性。

表1 阀门密封面磨损形式的研究

3.1  磨粒磨损

在上述各种磨损形式中，磨粒磨损是最常见的一种失效形式。磨粒磨损是指硬质颗粒或粗糙表面在相对运动的过程中，对材料表面造成切削、犁削或疲劳剥落，导致材料损失的现象，是工业设备中最常见的失效形式之一。磨粒磨损在机理上可以分为两体磨损和三体磨损，其机理如图4所示。

图4 磨粒磨损机理示意图

三体磨粒磨损是指游离的磨粒颗粒在摩擦副接触面之间的自由滚动或滑动，同时对两个相对运动的表面产生微观切削或塑性变形，导致材料逐渐流失的磨损形式，是磨粒磨损的一种重要类型。相关学者对影响磨粒磨损的关键因素进行了大量的研究。孙铁龙等研究了密封面施加载荷和磨粒直径对不同材料金属密封面磨损的综合影响，并基于Hertz接触理论建立了金属间磨粒磨损的新模型。Zhang等提出了在磨粒磨损过程中的临界划痕深度效应，并将磨粒磨损分为划痕磨损和划线磨损两种，基于ABAQUS仿真软件研究了制动参数的范围，对比分析了制动转速和摩擦系数这两个因素对磨粒磨损的影响。Demirer等通过试验测试，验证了磨粒不同撞击角对磨损的影响，试验结果表明，磨粒的类型（反映在硬度上）和磨粒直径均是影响磨损特性的重要因素。Fan等建立了磨损的理论模型，分析了转速、温度、压降等因素对磨损的影响，并将影响添加到磨损模型中，最后通过对模型进行试验测试以验证模型的准确性。

抗磨粒磨损的材料选择也是一个重要的研究课题。董刚等对18Ni300马氏体钢的耐磨性进行研究，通过分析材料中不同的Mo含量以分析材料的摩擦磨损性能、力学特性等。Chen等针对难以加工的材料如GH4169等，建立了基于图像的磨损状态演化过程，并提出微观磨损面积-材料去除深度模型，对基于材料去除深度的磨损状态表征方法进行研究。此外，还有学者基于分析动力学理论研究了一种新型三体纳米耐磨材料，并提出一种三体纳米磨粒磨损的非压痕-滑动附着理论。所提出的理论不仅验证了目前主流的基于化学机械抛光的材料去除理论，而且阐明了实现无损伤的单原子材料磨损的情况，完善了材料磨损与表面损伤之间的关系。

综上，磨粒磨损的机理研究已从宏观切削模型深入到微观分形与纳米尺度，载荷、磨粒特性及材料硬度等因素对磨损率的影响规律逐步明晰，为抗磨材料选择与表面强化提供了理论依据。但阀门硬密封面在实际工况下往往伴随多种磨损机制耦合作用，其中粘着磨损因接触面局部粘着与材料转移而成为另一主要失效形式，其研究进展将在下文讨论。

3.2  粘着磨损

除了磨粒磨损外，粘着磨损是另一种较为常见的失效形式。粘着磨损是指两个相互接触的固体表面在相对滑动或者滚动的过程中，由于局部粘着作用，导致材料从一个表面转移到另一个表面，甚至形成磨削的磨损形式。粘着磨损是摩擦副中最常见的磨损机制之一，其机理如图5所示。

图5 粘着磨损机理示意图

目前对粘着磨损的研究主要分为两个方面，即粘着磨损的基础机理研究及粘着磨损的工程应用研究。在粘着磨损的机理研究方面，Zhang等对粘着磨损的发展历程展开综述，全面总结了基于物理参数的粘着磨损的数值模型和技术。Xiang等则是分析了分子间电位对接触面之间粘着磨损行为的影响，并使用J-C失效和断裂能标准进行材料损伤的评估，确定了在粘着磨损中，裂缝有两种扩展模式，即双向模式和单向模式。张志刚等对车型的湿式离合器在特定工况下的磨损机理进行研究，分析了磨损表面的微观形貌特征，得出结论：该湿式离合器的对偶钢片上的磨损主要形式为粘着磨损，且该磨损沿周向均匀分布但在径向会出现深浅不一的划痕。马秋艳等基于Archard磨损计算公式建立齿轮啮合面在干摩擦时的粘着磨损计算模型，并分析了各种参数对齿轮面磨损的影响。Zheng等分析了具有纳米晶粒的304L不锈钢的摩擦学性能，对载荷、温度对粘着磨损的影响展开了研究。当温度升高时，磨损机制从粘着磨损变成了粘着-氧化耦合磨损。

对粘着磨损的工程应用研究，包括粘着磨损的材料配对、新设备开发与寿命预测等方面。Wang等对真空条件下多晶立方氮化硼与硬质材料的摩擦进行研究，通过试验并对不同硬质合金材料进行表征，结果表明在真空状态下的材料的磨损率与施加载荷呈正相关。Chai等开发了一种新型的磨损试验测试仪，能够模拟复杂工况下的磨损情况，对煤开采关键设备进行了磨损试验以验证测试仪的有效性。Yin等针对齿轮啮合面，通过耦合Archard磨损模型和混合弹性流体动力润滑模型，建立了表面粘着磨损的寿命预测模型。

粘着磨损的研究已从微观粘着机理与分子间作用力解析，拓展至材料配对优化、新型试验装备开发与寿命预测等工程应用领域，温度升高及复杂工况下粘着-氧化耦合磨损的转变规律亦逐步明晰。然而，无论是磨粒磨损还是粘着磨损，建立准确的磨损率预测模型并量化关键影响因素，仍是实现阀门硬密封面寿命评估与可靠性设计亟待解决的核心问题。

3.3  密封端面磨损率研究

在对密封端面磨损演变的研究中，无论是哪种磨损机理，端面磨损率都是众多学者关注的对象。对密封端面磨损率的研究一般是从磨损率预测和磨损率影响因素这两个方面进行的。在对磨损率预测的研究中，国外学者研究较多。Villanueva等开发了一种基于计算摩擦曲线早期阶段面积的新方法，以准确快速地预测磨损率，该方法的回归系数高达0.98，具有较高的可靠性。Li等则是基于熵不平衡特性提出耗散磨损模型。密封面之间的磨损发热和热量耗散之间的不平衡会导致熵的不平衡，这种不平衡会造成较大的磨损率误差，而建立的熵-不平衡耗散磨损模型则可以减小误差，并进行密封端面的寿命预测。磨损系统的散热方法如图6所示。Shin等基于机器学习，评估了15个磨损的影响因素，以提高模型的预测精度，保证磨损预测的准确性。Bi等基于跨尺度接触力学，建立了流体动压密封件在启动过程中的磨损率预测模型，并利用弧形修正方程对其进行修正。

图6  磨损系统的散热方法示意图

对磨损率的影响因素进行探究也是研究磨损率的重要部分。Solasa等探究了相同工况下不同材料的磨损率是否相同，使用了黄铜和铝合金两种材料来计算磨损率，结果表明不同材料之间的磨损率差距很小。宋凯亮等对接触式机械密封端面的磨损特性进行研究，建立了端面磨损的分形计算模型，并得出结论：磨损率和密封端面的分形维数呈现负相关的特性。Li等针对滑动摩擦，基于圆周率定理建立了磨损率的计算公式，并研究了划痕深度、孔隙率等对磨损率的影响。Hu等通过纳米划痕模拟各种材料的磨损率，表明磨损率具有速度依赖性，随滑动速度的增加而降低，且界面附着力对磨损率也有重要影响。Hanief等则是分别采用幂律和人工神经网络的方法对某合金进行磨损率的建模，其结果表明载荷对磨损率的影响要显著高于滑动速度和滑动距离的影响。Wang等探讨了不同滑移比和滑移率对机械密封的磨损影响，结果表明，随着滑移比的增加，磨损率先增加后保持稳定，但裂纹扩展速率随滑移比的增加而不断增大；当滑移比继续增大时，磨损形式会由以粘着磨损为主导变成以疲劳磨损为主导。

综上，密封端面磨损率研究已从传统的Archard模型向熵-不平衡、机器学习及跨尺度接触力学等方向拓展，预测精度与适用工况范围得到显著提升，同时转速、载荷、材料特性及表面形貌等关键影响因素的作用规律亦被深入揭示。然而，现有磨损率预测模型多基于特定试验条件或简化假设建立，与阀门硬密封面长期实际服役数据的关联验证仍显不足，多物理场耦合作用下的磨损机理与交互规律亦有待深化。未来亟需发展面向阀门极端工况的高精度、高效率磨损预测方法，以支撑密封结构的优化设计与可靠寿命评估。

通过对阀门硬密封面摩擦磨损劣化研究进展的系统梳理，可以得到以下结论：

（1）阀门硬密封面的摩擦状态可分为干摩擦和润滑摩擦两大类。干摩擦条件下，机械密封和往复密封的接触特性研究较为成熟，表面织构优化和分形理论分析有效揭示了接触压力分布规律；润滑摩擦则通过磁流体、气体润滑及近零摩擦结构设计显著降低了摩擦系数和磨损速率。

（2）磨粒磨损是阀门硬密封面最常见的失效形式，其机理分为两体和三体磨损，受载荷、磨粒尺寸、撞击角、转速和温度等因素综合影响。相关研究建立了基于Hertz理论和有限元仿真的预测模型，为抗磨材料选择提供了依据。

（3）粘着磨损在干摩擦工况下普遍存在，温度升高会促使其向粘着-氧化耦合磨损转变。基于Archard模型和分子间电位分析的数值模型，以及寿命预测方法的发展，为工程应用中的磨损控制提供了有效手段。

然而，现有研究在磨损率预测方法与磨损影响因素方面仍存在一定的局限性。多因素耦合工况下的磨损机理与交互规律研究不够深入，理论模型与阀门实际长期服役数据的关联度较低。未来研究应重点加强多物理场耦合建模与数字孪生技术融合、人工智能驱动的机理-数据混合预测模型开发、极端工况专用自适应抗磨涂层与自修复材料研制，以及基于实时监测的密封寿命智能预警系统构建，推动阀门密封可靠性技术从被动失效应对向主动预测与智能调控方向发展。