三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)特點及相關(guān)設(shè)計分析

龔忠華

（浙江三方控制閥股份有限公司，浙江 富陽 311400）

1 引言

三偏心蝶閥作為一種直角旋轉(zhuǎn)閥，具有優(yōu)良的關(guān)斷特性：頻繁操作條件下，長周期的循環(huán)使用壽命和良好的雙向服務(wù)功能。作為經(jīng)濟各領(lǐng)域中成套設(shè)備的關(guān)鍵產(chǎn)品，大直徑、高溫、高壓三偏心金屬硬密封蝶閥是國家重點攻關(guān)新產(chǎn)品，本文主要就三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)相關(guān)問題進行探討。

2 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)概述

由于在雙偏心的基礎(chǔ)上，將閥座中心線與蝶板密封面中心線形成一個角度為α的偏置，當三偏心密封蝶閥處于完全開啟狀態(tài)時，蝶板密封面會完全脫離閥座密封面，由于α角偏置的形成會使長、短半徑的蝶板變化，蝶板密封面轉(zhuǎn)動軌跡的切線與閥座密封面形成兩個夾角。因為這兩個夾角的存在，蝶閥開啟時，蝶板密封面會在開啟的瞬間立即脫離閥座密封面；在關(guān)閉時，只有在關(guān)閉的瞬間，蝶板的密封面才會接觸并壓緊閥座密封面，從而徹底消除了蝶板啟閉時蝶板密封副兩密封面之間的機械磨損和擦傷。而在蝶閥關(guān)閉時，其密封副兩密封面之間的密封比壓可以由外加于蝶板轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，不僅消除了常規(guī)蝶閥中彈性閥座彈性材料的老化、冷流、彈性失效等原因造成的密封副兩密封面之間的密封比壓降低和消失，而且可以通過對外加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的改變實現(xiàn)對其密封比壓的任意調(diào)整，從而使三偏心密封蝶閥的密封性能和使用壽命得到大大的提高。由于三偏心金屬密封蝶閥具有諸多優(yōu)點，近年來逐步應(yīng)用于發(fā)電廠、鋼鐵廠、煉油廠、化工廠等，其流體介質(zhì)包括蒸汽、水、油類和其他腐蝕介質(zhì)等。［1］另外，三偏心金屬密封蝶閥的參數(shù)主要有軸向偏心、徑向偏心、角偏心、蝶板錐度、蝶板密封厚度、蝶板厚度等。

3 三偏心金屬密封蝶閥的主要技術(shù)特征

這里分析的三偏心金屬密封蝶閥是由閥門制造廠家生產(chǎn)的用于變壓真空吸附制氫（VPSA）氣體分離裝置的程序控制閥，其具有以下技術(shù)特征：［2］

（1）扭矩密封：徹底改變了位置密封閥中由閥座彈性提供密封比壓的方式，由外加扭矩提供密封比壓。使閥門嚴密關(guān)斷并與介質(zhì)的流向、壓力無關(guān)。

（2）彈性金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)：彈性金屬密封圈在外加扭矩作用下，與閥座接觸，使得彈性金屬密封圈與金屬閥座之間的接觸角產(chǎn)生輕微變形，使得密封圈發(fā)生柔動和徑向壓縮。由于閥座與密封圈之間均勻接觸及密封圈的柔性，使閥座 360 °周圍均勻密封比壓，從而用最小的扭矩實現(xiàn)了最嚴密的關(guān)閉。

（3）閥門軸：閥門軸采用通桿結(jié)構(gòu)，由高強度合金鋼制成。與蝶板采用雙鍵連接，錐銷固定。閥桿設(shè)計為防沖出型，以免在閥桿與閥板聯(lián)結(jié)處發(fā)生斷裂時，閥桿崩出。設(shè)計安全可靠。

（4）軸承和填料設(shè)計：采用四軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸承采用高強度涂層自潤滑滑動軸承，支承可靠、強度高、壽命長。填料、填料壓環(huán)采用柔性石墨環(huán)設(shè)計。填料壓環(huán)采用兩件式球形接觸面結(jié)構(gòu)，保證填料正向均勻壓緊。

（5）密封圈：密封圈外形為與閥座相配合的斜置幾何設(shè)計，由密封圈壓圈夾持在蝶板上，易于安裝和更換。密封圈徑向設(shè)計有一定的間隙量，保證密封圈合適的彈性。密封圈后斷面設(shè)計一個W形不銹鋼石墨纏繞密封圈，保證密封圈端面雙向密封。

（6）在比較純凈的介質(zhì)中，閥門開關(guān)設(shè)計壽命可達100萬次。

（7）雙向泄露等級達到 ANSI FCI－70－2－1991 VI級。

（8）執(zhí)行機構(gòu)：標準配置為液壓驅(qū)動機構(gòu)，同時可選配手動、電動、氣動或是聯(lián)合驅(qū)動機構(gòu)。

4 三偏心蝶閥的流體動力特性計算分析

在實際工作條件下，當閥門為改變流量而開大或關(guān)小時，流體液柱動能的變化會造成管路中靜壓的瞬時變化。在液體中這種靜壓的瞬時變化常常引起管路的振動，產(chǎn)生像錘擊的聲音，因而得名為水擊。這種壓力的瞬時變化不是沿著整個管路同時立即發(fā)生的，而是從變化的起始點逐步擴散開的，例如，當在管路一端的閥門快速關(guān)閉時，只有閥門部位的流體分子能立即感受到閥門的關(guān)閉，然后流體分子中積聚的動能壓縮流體分子并使相鄰的管壁脹大，其部分的流體仍然以原來的速度流動，一直到整個流體平靜為止。

壓縮區(qū)向管路進口端擴張的速度是均勻的，并且等于管路內(nèi)流體的聲速。當壓縮區(qū)到達進口管路末端時，所有流體就處于靜止狀態(tài)，但壓力高于正常靜壓。這個壓差在這時產(chǎn)生了一個向相反方向的流動，從而解除了靜壓的升高和管壁的脹大。當這一壓降波到達閥門時，整個流體又重新處于正常靜壓之下，但流體繼續(xù)向進口末端流動，從而在閥門處又開始產(chǎn)生了—個低于正常壓力的壓力波。當這個低壓的壓力波往返一周后，就恢復(fù)了正常的壓力和起始的流體流動方向。這種往返一直要重復(fù)到由于摩擦和其他原因使流體動能耗盡為止。

4.1 計算機仿真模型建立

為了解決三偏心蝶閥在啟閉時計算流體介質(zhì)對蝶板沖擊的問題，本課題采用FLOWMASTER Ltd.公司自主開發(fā)的面向流體系統(tǒng)仿真的軟件平臺FLOWMASTER。其主要憑借其內(nèi)置的一維流體動力系統(tǒng)解算器，及面向工程流體系統(tǒng)仿真軟件包，已經(jīng)得到了航空航天、汽車、艦船、能源化工、水力漿站等工業(yè)領(lǐng)域越來越多的應(yīng)用。

該裝置采用的工藝流程總共有十二個吸附塔，其中有兩個吸附塔始終處于同時進料吸附的狀態(tài)，整個吸附過程由吸附、連續(xù)八次均壓降壓、逆放、抽真空、連續(xù)八次均壓升壓和產(chǎn)品最終升壓等步驟組成。從整個工藝流程來看，只有吸附過程、逆放過程和抽真空過程中三偏心蝶閥有啟閉動作，其余過程三偏心蝶閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。

4.2 仿真結(jié)果分析與討論

（1）從吸附過程蝶閥關(guān)閉時壓力變化的數(shù)據(jù)來看，在三偏心蝶閥關(guān)閉的整個過程中，壓力有一個明顯的上升但變化并不大，約為1 bar左右。所以，雖然流體介質(zhì)的壓力大，流速高體積大而密度很小，而且在閥門關(guān)閉時流體介質(zhì)自身會產(chǎn)生體積的壓縮，難以對閥門造成很大沖擊，因此該管網(wǎng)模型只改變管道流體為水介質(zhì)，經(jīng)過軟件分析計算，在閥門關(guān)閉的瞬間，壓力升高近70 %。

（2）單塔的壓力最大值P＝40.0932 bar，雙塔的壓力最大值P＝40.1407 bar；雙塔的壓力最大值大于單塔的壓力最大值。因為雙塔為對稱布置，當閥門關(guān)閉時，流體產(chǎn)生的壓力波會疊加，因此雙塔的壓力波動值大于單塔的壓力波動值，仿真計算結(jié)果也是合理的。

（3）從最大壓力降的時間來看，雙塔最大壓力發(fā)生在蝶板關(guān)閉約78.97 °時；而單塔最大壓力發(fā)生在蝶板關(guān)閉約78.6 °時，產(chǎn)生最大壓力的時間基本一致。當?shù)褰咏耆P(guān)閉時，此時流體對蝶板產(chǎn)生的沖擊最大，在最大壓力作用下蝶板的變形和位移也是最大的。蝶板與閥體密封面發(fā)生干涉的可能性也越大。

5 結(jié)束語

結(jié)合工程實際需求，以三偏心蝶閥在變壓真空吸附制氫裝置中的實際使用為例，根據(jù)三偏心蝶閥的實際工況的受力狀況，采用商用軟件對三偏心蝶閥在吸附狀態(tài)下關(guān)閉時的流場進行動力計算，分析了三偏心蝶閥在蝶板關(guān)閉過程中管路流體介質(zhì)對閥門的整個過程，得出在蝶板即將關(guān)閉瞬間流體對蝶板的壓力為最大。

1 余 龍、俞樹榮.三偏心蝶閥蝶板性能分析［J］.流體機械，2007.35（10）

2 陳曉霞、邢靜忠.CAD/CAE集成的三偏心蝶閥參數(shù)化設(shè)計［J］.工程圖學學報，2009.30（1）