三偏心金屬密封蝶閥密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊玲玲，張建斌

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

1 概述

在三偏心金屬的密封蝶閥結(jié)構(gòu)中，具體三偏心是指閥桿軸心能夠偏離碟片及本體中心，同時(shí)密封為斜椎碟閥，在社會(huì)生產(chǎn)中三偏心蝶閥也常被運(yùn)用于化工，冶金，電力等一些工業(yè)管道中介質(zhì)溫度低于425℃，能夠?qū)崿F(xiàn)流量調(diào)節(jié)以及流體截?cái)嗟淖饔谩Ｈ母咝阅艿y其結(jié)構(gòu)類型為整體法蘭式與全焊接式兩種，整體法蘭式高性能蝶閥用于壓力等級(jí)Class≤600（10.0MPa），公稱通徑為NPS（4～24英寸），介質(zhì)為水、蒸汽天然氣及油品，其工作溫度為≤350℃的工業(yè)主管路系統(tǒng)、供氣管路及輸油管路中，用于截?cái)嗷蛘{(diào)節(jié)管路中的介質(zhì)；焊接式高性能蝶閥用于壓力等級(jí)Class≤600（10.0MPa），公稱通徑為DN（100～1000mm），介質(zhì)為熱水、發(fā)電廠循環(huán)水、蒸汽，其工作溫度為≤350℃的工業(yè)主管路系統(tǒng)、供氣管路及供暖系統(tǒng)上，用于截?cái)嗷蛘{(diào)節(jié)管路中的介質(zhì)。針對(duì)密封圈經(jīng)常失效，對(duì)閥座密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，密封結(jié)構(gòu)采用三偏心硬密封結(jié)構(gòu)，閥座與碟板不會(huì)出現(xiàn)磨損，且在密封功能上越來越緊，采用硬化鋼材料制作密封圈，擁有金屬的彈性和密封性這兩種特點(diǎn)，無論處于低、高溫情況下都能具有良好的密封性能，同時(shí)能夠延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命和耐腐蝕性能。

2 分析

三偏心硬密封蝶閥的密封面以及閥座間需要依靠傳動(dòng)裝置產(chǎn)生的力矩，進(jìn)而能夠使閥板向閥座密封。當(dāng)流道介質(zhì)處于正向流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)壓力越高，密封擠壓就越緊；當(dāng)介質(zhì)處于逆向狀態(tài)時(shí)會(huì)隨其壓力升高。閥板與閥座間壓力會(huì)小于相應(yīng)的介質(zhì)壓強(qiáng)，會(huì)使密封圈泄漏。由于閥板被固定在密封圈上，當(dāng)其處于常開狀態(tài)下，介質(zhì)會(huì)對(duì)密封面形成沖刷作用，使金屬片的夾層受到軟密封帶沖刷作用，進(jìn)而影響其最終的密封效果。從三偏心硬密封蝶閥的閥板整體上來看，該結(jié)構(gòu)比較厚重，具有較強(qiáng)的流阻力。受此結(jié)構(gòu)條件的限制，因此該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不適用于DN100以下的閥門。三偏心蝶閥的密封圈一般采用（帶夾層或不帶夾層）多層結(jié)構(gòu)，其單層的厚度僅為2～3mm，從而具備彈性性能，但是很多結(jié)構(gòu)也存在一些缺陷。

（1）多層結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)良性貼合。

（2）雖然設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)，但真正起到作用的只是其中的一層，單層的厚度較薄，而硬密封蝶閥需要比較大的力矩才能實(shí)現(xiàn)密封，因此層與層之間容易發(fā)生塑性變形和翹曲。

（3）因起密封作用的只有一層結(jié)構(gòu)，尤其在一些特殊情況下需要采用整體性的密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從一定程度上來看，雖然會(huì)使該結(jié)構(gòu)降低彈性性能，然后卻會(huì)提高結(jié)構(gòu)的使用壽命，大大降低了維修成本。

（4）由于其設(shè)計(jì)原理，我們?cè)陂y座與閥板之間需要依靠傳動(dòng)產(chǎn)生的力矩使閥板向閥座進(jìn)行推壓，當(dāng)處于逆流介質(zhì)狀態(tài)下，隨壓力增加閥座與閥板間的壓力會(huì)小于壓強(qiáng)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)泄漏的問題。

3 改進(jìn)

閥體使用優(yōu)質(zhì)碳素鋼鍛件，整體式結(jié)構(gòu)消除了外漏顧慮，質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，便于與管道焊接安裝。蝶板與閥座靠機(jī)械力不會(huì)通過介質(zhì)壓力來產(chǎn)生，因此無論哪種工作壓力狀態(tài)下都可以實(shí)現(xiàn)良好的雙向密封性，尤其對(duì)于一些低壓狀態(tài)下蝶閥同樣具備這種良好的密封性能。此外，彈性閥座可以保證在溫度劇烈波動(dòng)下，仍實(shí)現(xiàn)可靠的密封；同時(shí)，閥體的熱脹冷縮也不會(huì)影響到密封的牢固，更不會(huì)造成夾持卡阻現(xiàn)象，是良好的自適應(yīng)密封結(jié)構(gòu)，能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲取最佳的位置。同時(shí)可以將蝶板設(shè)置為u型安裝偏心，當(dāng)?shù)迮c密封圈實(shí)現(xiàn)有效閉合時(shí)，密封圈外壓作用會(huì)使密封圈與短軸進(jìn)行良好接觸。當(dāng)閥門開啟時(shí)，兩者又立即分開了，密封圈恢復(fù)成原來的形狀，這樣就防止了磨損，閥門就能經(jīng)受住幾十萬次的運(yùn)行。當(dāng)關(guān)閉閥門時(shí)，基于偏心的作用下，閥板會(huì)壓在閥座上進(jìn)而使兩者之間不會(huì)產(chǎn)生較大摩擦，摩擦系數(shù)較低，其摩擦能量消耗越少，進(jìn)而能夠延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。除此之外，安裝新型的密封圈之后會(huì)在閥板和閥座之間產(chǎn)生彈力，密封圈向外壓會(huì)使得各個(gè)密封圈間存在間隙位置，能夠存在一定程度的變化，因此在關(guān)閉閥門時(shí)，由于受到閉合力的作用，密封圈會(huì)移至到受力均勻位置上，使密封圈變形程度較小，密封圈受力比較均勻，能夠達(dá)到良好的密封性好果。三偏心硬密封蝶閥的密封圈。我們通常選擇304L或其他型號(hào)的奧氏體不銹鋼，這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，當(dāng)密封圈處于較薄的情況下，通常一般為2～3mm的范圍內(nèi)，這種密封圈很容易產(chǎn)生變形，比如塑性變形，進(jìn)而會(huì)使整體的密封性能降低，因此為了能夠獲得良好的密封性能，我們通?？梢圆捎肐NCOLOY 825冷軋不銹鋼板，用板材落料條狀，兩端堆焊，修磨內(nèi)圈的焊縫，在對(duì)稱卷壓成型，表面及密封區(qū)域，能夠利用機(jī)械方式完成加工，將其硬度要求控制在36HRC范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)高于860兆帕。可以將硬鉻鍍?cè)陂y座密封面上，其硬度在43HRC以上，而兩個(gè)密封面會(huì)存在一定程度的硬度差，進(jìn)而使之具有較高彈性性能且很難發(fā)生形變。這些措施都有力地保證了較好的長(zhǎng)期密封性能。針對(duì)密封圈受力不均和彈性不足等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種U型整體密封圈，使得蝶板和壓板的形狀變成了U型（如圖1），這樣密封圈與各個(gè)邊緣的距離基本相同，減小了閥桿的軸徑向偏心值數(shù)據(jù)，但起密封作用的地方厚度仍為2～3mm，因此采用u型設(shè)計(jì)的密封圈具良好的彈性性能，能夠使其周邊產(chǎn)生均勻變形和應(yīng)力要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的密封性好果。圖2為三偏心蝶閥。

圖1 U型密封圈

4 性能及試驗(yàn)

不同偏心結(jié)構(gòu)的蝶閥，其性能也會(huì)隨之變化。隨著閥板偏心數(shù)的增加，閥板的厚度也會(huì)增加，介質(zhì)流經(jīng)三偏心蝶閥的阻力也會(huì)隨之增大，隨偏心數(shù)而增加，密封效果也會(huì)發(fā)生顯著變化。三偏心高性能蝶閥在使用過程中出現(xiàn)的壓力損失能夠被認(rèn)為是調(diào)節(jié)閥使用造成的。當(dāng)介質(zhì)經(jīng)過閥門時(shí)，其壓力損失會(huì)隨系數(shù)增加而增加。然而，對(duì)于一些非蝶閥和閥門來說，這種壓力損失是相對(duì)較小的，同時(shí)蝶閥偏心系數(shù)的變化也會(huì)從一定程度上影響密封性能，偏心數(shù)較大時(shí)，在開啟和閉合中所產(chǎn)生的傳動(dòng)扭距會(huì)相應(yīng)減小，因此扭矩比其他形式來說幾乎可以忽略不計(jì)。偏心數(shù)變化還會(huì)導(dǎo)致溫度、壓力發(fā)生顯著的變化，相比其它的蝶閥來說三偏心蝶閥最適壓力和溫度等級(jí)是占優(yōu)勢(shì)的?？偠灾?，我們分析三偏心高性能蝶閥具有以下特點(diǎn)：切斷三偏心金屬密封蝶閥能夠利用扭轉(zhuǎn)力矩切斷閥門，由于閥座具有良好的密封性，因此我們可以將其稱為是零泄漏。當(dāng)介質(zhì)中帶有一些雜物和其他固體顆粒物時(shí)并不會(huì)對(duì)三偏心金屬密封蝶閥性能產(chǎn)生影響。由于當(dāng)關(guān)閉閥門時(shí)流速較高，而這些雜物不會(huì)在閥座中進(jìn)行沉淀。按照GB/T 13927-2008《工業(yè)閥門 壓力試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)的泄漏量要求，對(duì)試制的DN250 PN5.0MPa的新結(jié)構(gòu)三偏心金屬密封蝶閥進(jìn)行了泄漏量檢測(cè)（表1）。測(cè)試結(jié)果：密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的三偏心蝶閥可以承受5.5MPa的密封試驗(yàn)壓力，且泄漏量為0滴/min，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。依據(jù)JB/T 8863-2004《蝶閥 靜壓壽命試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)蝶閥進(jìn)行了動(dòng)作壽命試驗(yàn)，在5.0MPa壓差下開啟閥門，在內(nèi)腔5.0MPa壓力下關(guān)閉閥門，循環(huán)操作5000次；閥門能正常操作、無卡阻現(xiàn)象，零件應(yīng)無明顯損壞，測(cè)試后進(jìn)行閥門的液體密封試驗(yàn)，泄漏量仍然為0滴/min，蝶閥性能可靠，能滿足工況要求。

圖2 三偏心蝶閥

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

總而言之，利用u型設(shè)計(jì)三偏心密封蝶閥的密封圈，能夠有效改善原有受力不均勻的問題，并能夠在閥桿力矩作用下使密封圈周邊獲得均勻的變形和應(yīng)力。在任何壓力下都可以實(shí)現(xiàn)良好的密封性，因此可運(yùn)用于含有其他固體顆粒的雜質(zhì)中，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命。