三偏心蝶閥密封結構與安裝方向探討

吳 軍 蔡曉峰 張玉玲

(1.中國五環工程有限公司；2.輝瑞(武漢)研究開發有限中心)

蝶閥是近年來發展最為迅速的閥門種類之一，隨著工業技術的發展，蝶閥的適用范圍愈加廣泛，種類和數量不斷擴大，并向著耐高溫高壓、高密封性、大口徑、壽命長、調節特性優良和多功能的方向發展。蝶閥的分類方式有很多，一般按閥門構造可分為中線密封蝶閥、單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥；按密封結構可分為金屬密封和襯橡膠或襯氟塑料的軟密封，其中，金屬密封可采用多層密封結構或彈性密封結構。

為滿足多種不同的工況，蝶閥歷經了同心、單偏心到雙偏心的轉變。一般，耐高溫雙偏心蝶閥必需選用硬密封，但會有泄漏量大的缺點；零泄漏雙偏心蝶閥必需使用軟密封，但會有不耐高溫的缺點。為克服這一矛盾，又對蝶閥進行了第三次偏心[1]，高性能三偏心蝶閥具有三重偏置，可提高其作用效率，且具有防漏功能[2]。

在此，筆者在對幾種蝶閥的密封結構及其性能對比分析的基礎上，以三偏心蝶閥為例，詳細分析其密封結構與安裝方向。

1 幾種蝶閥的比較

按閥蝶與中心線的相對位置，可將其分為兩種：低壓或中心對稱蝶閥，其閥蝶與軸線是同心的，在開啟位置，閥蝶將流體等分，閥蝶在中間且與流動方向平行；高性能或偏置蝶閥，其閥蝶與閥門中心存在一個偏置，這種偏置使得閥蝶總是偏心的遠離或朝向閥座。

幾種蝶閥的密封原理如下[3]。

中線密封蝶閥(圖1)。閥板在加工時需要確保它的密封面具備一定的表面粗糙度，合成橡膠閥座壓模成形構成的密封面也需要具備一定的表面粗糙度。閥門封閉時，閥板轉動，閥板的外圓密封面通過壓擠合成橡膠閥座，使合成橡膠閥座發生彈性力并作為密封比壓確保閥門的密封。

圖1 典型的中線密封蝶閥密封構造

單偏心蝶閥(圖2)。當單偏心蝶閥處于打開的狀態時，其閥板密封面會離開閥座密封面，尤其當閥板從0°轉動到20～25°之間時，閥座密封面與閥板密封面將徹底分離。當單偏心蝶閥關閉時，閥板在轉動的過程中，其外圓密封面逐步靠近并擠壓聚四氟乙烯閥座，使閥座發生彈性形變，產生的彈性力作為密封比壓確保蝶閥的密封。如此，單偏心蝶閥的開閉不但使閥座與閥板兩密封面之間的機械磨損和壓擠大幅下降，而且使蝶閥的密封性得以提高。

圖2 典型的單偏心蝶閥密封構造

雙偏心蝶閥(圖3)。當閥板打開90°時，由于存在尺寸偏差b，使得閥板的轉動半徑分成短半徑和長半徑。長半徑轉動軌道的切線與閥座密封面形成一個θ角，使閥座與閥板之間存在一個漸出離開和漸入壓擠的作用，因而降低了閥板開閉時雙偏心蝶閥密封副兩密封面之間的機械磨損和擦傷。該類型蝶閥的閥板密封面和閥座密封面的間隙比單偏心蝶閥的大，比中線蝶閥能夠更快離開閥座密封面。

圖3 典型的雙偏心蝶閥密封構造

三偏心蝶閥(圖4)。當三偏心蝶閥處于徹底打開狀態時，其閥板密封面與閥座密封面徹底分離，并且在閥體與閥板兩個密封面之間形成一個和雙偏心蝶閥類似的間隙。由圖4可知，由于產生了β偏置角，在長半徑與短半徑轉動的閥板大、小半圓上，閥板密封面轉動軌跡的切線與閥座密封面構成了θ1、θ2角，從而使閥板開閉時密封面相對于閥座密封面漸出離開和漸入壓緊，完全消除了閥板開閉時密封副兩密封面之間的機械磨損與擦傷。該類蝶閥在逐漸打開時，其閥板的密封面會在開啟的一瞬間馬上離開閥座密封面；當逐漸關閉時，只有閉合瞬間，閥板密封面才會觸碰并緊壓閥座密封面。

圖4 典型的三偏心蝶閥密封構造

筆者根據各類型蝶閥的文獻資料并結合現場實際經驗，將蝶閥的密封型式、密封性能、機械磨損、泄漏情況及制造成本等性能進行定性的對比分析(表1)，方便工程設計人員能更準確地選用蝶閥和判斷蝶閥方向。需要注意的是，蝶閥的方向性與蝶閥型式和密封型式有著密切的聯系。

表1 幾種蝶閥性能的對比結果

注：根據閥座結構型式的不同，有單向密封和雙向密封，即使是雙向密封，兩個方向的密封能力也不是完全相同的，通常軸側高壓的密封效果好于板側高壓，所以表中單向指的是嚴格意義上的理論方向。

2 三偏心蝶閥的結構與安裝

2.1三偏心蝶閥的結構

普通蝶閥具有一個偏心，即閥軸中心線與閥板中心線(密封面中心線)偏移；高性能蝶閥在此基礎上多加一個偏心，即閥軸中心線與閥門中心線(管道中心線)偏移。雙偏心的目的是使閥板開到20°以后，密封副之間互相分離，減少磨擦(凸輪效應)。三偏心蝶閥在雙偏心蝶閥的基礎上又增添一個偏心——斜錐，即閥板的偏移(密封面與管道垂直面的偏移)。

如此，閥門在逐漸開啟時，密封副之間能夠徹底分離，不僅強化了凸輪效應，還徹底消除了磨擦；當閥門關閉時，隨著密封副逐步閉合，發生楔塊效應，憑最小扭矩力完成最嚴實的關閉。

3種偏心型式蝶閥的對比如圖5所示。

圖5 3種偏心型式蝶閥的對比

由圖5可知，第三次偏心最顯著的特征在于其從本質上更改了密封結構，即采用扭力密封，不再依靠閥座的彈性形變實現密封，而是通過閥座的接觸面壓來滿足密封效果，因此實現了金屬閥座的零泄漏。并且由于接觸面壓與介質壓力成正比，耐高壓高溫的問題也迎刃而解[4]。海南LNG使用的Vanessa 30000系列回轉式工藝蝶閥就是一種獨特的四分之一回轉式三偏心蝶閥，其結構如圖6、7所示。

圖6 海南LNG三偏心蝶閥

圖7 海南LNG三偏心蝶閥箭頭方向

2.2三偏心蝶閥的安裝

2.2.1三偏心蝶閥的安裝方向

根據閥體上箭頭的不同，可將三偏心蝶閥的安裝方向總結為3種情況。

第一種情況，蝶閥閥體上已經注明了表示介質流向的箭頭，此時應按流向標示的方向安裝使用[1]。

第二種情況，蝶閥閥體上沒有任何方向的標示。此時，應查閱閥門廠家說明書，判斷蝶閥類型，再根據閥門的結構判斷是否有安裝方向要求，如果是偏心蝶閥就應引起重視。

第三種情況，蝶閥閥體上標明了壓力方向的箭頭(箭頭的尾端表示受壓側)，如圖6、7所示。海南LNG系統的低溫蝶閥絕大部分注明的都是壓力方向箭頭，此時若施工人員在安裝時當做介質流向箭頭的方式安裝，則勢必導致閥門密封性變差，降低閥門使用壽命。

以LNG工藝系統為例(圖8)，三偏心低溫蝶閥V000778的箭頭方向由右至左指向安全閥，此時介質的流向顯然是從左至右的。因此，此時閥門殼體上的箭頭標示方向并不是介質流向，而是閥門關閉時的承壓方向，所以調節閥兩邊的蝶閥箭頭方向各指向背向調節閥的方向。

圖8 LNG工藝流程系統示意圖

偏心蝶閥安裝在不同的管路時安裝方向不盡相同，其主要目的就是在確保管路正常運作的前提下，需考慮后續的管路維護保養。當安全閥損壞需要檢修時，蝶閥關閉，旁路球閥打開，則其承壓方向來自右邊，因此，圖8中蝶閥應背向安全閥安裝。

在實際生產過程中，三偏心蝶閥的閥板側為低壓側，閥軸側為高壓側，即受壓側，閥門兩側壓力不同時，有利于閥門關嚴，符合三偏心蝶閥的工作要求。如Orton公司對于三偏心金屬密封蝶閥的安裝要求就是使關閉狀態高壓側位于閥軸一側，以便長期密封。

根據偏心蝶閥結構(閥板側與閥軸側)、管道的高低壓側和檢修因素，就能準確確定其安裝方向。有安裝方向的蝶閥，其安裝方向應在P&ID圖與ISO圖(管道軸測圖)中標示出來，避免現場施工人員依照圖紙安裝蝶閥時出錯。

2.2.2蝶閥安裝方向原因剖析

進口三偏心金屬密封蝶閥通常有其推薦的安裝方向，不建議反裝；國內偏心蝶閥制造工藝相對差些，通常反向比正向差一個泄漏等級或一到兩個壓力等級，更不能反裝。原因如下：

a. 取決于蝶閥的構造。中線密封蝶閥密封構造決定了其雙側壓力承受能力是相同的，因此中線密封蝶閥對流向沒有要求。偏心蝶閥(包括單偏心、雙偏心和三偏心蝶閥)大多對流向有要求，即使是雙向密封也只是正反兩個方向能在規定的壓力等級下滿足密封要求，其中必定有一側可承受更高的壓力，使密閉性更好。

b. 方便檢修。偏心蝶閥一般閥軸側為高壓側，閥板側為低壓側，一旦安裝反將導致檢修時閥門產生泄漏。

c. 有利于蝶閥的密封，防止內漏。三偏心蝶閥的閥座與閥板密封面之間的密封是通過傳動裝置的力矩使閥板壓向閥座實現的。流道介質順流時，介質壓力越高密封擠壓越緊；流道介質逆流時，隨著介質壓力的增加，當閥座與閥板相互間的單位正壓力小于介質壓強時，密封開始泄漏。

3 結束語

針對現場施工人員經常將偏心蝶閥方向安裝錯誤的情況，筆者對蝶閥密封原理及其結構進行了探討。經分析，對于偏心蝶閥尤其是三偏心蝶閥，雖然各閥門廠家標稱為雙向密封，對安裝方向并無要求，但其只是反向密封的承壓能力提高，仍不能正向承壓。對于三偏心蝶閥，無論從檢修還是從密封性的角度考慮，都表明它是具有安裝方向的，選擇正確的安裝方向不僅有利于閥門密封、保護閥門、延長閥門使用壽命，還能最大程度地避免潛在的安全隱患。

[1] 趙建明.三偏心蝶閥的發展及應用[J].內蒙古石油化工,2014,(7):53～54.

[2] Mohinder L N著,李國成譯.管道手冊[M].北京:中國石化出版社,2006:350～353.

[3] 陸培文,孫曉霞,楊炯良.閥門選用手冊[M].北京:機械工業出版社,2009:184～189.

[4] GB/T 12238-2008,法蘭和對夾連接彈性密封蝶閥[S].北京:中國標準出版社,2008.