三偏心蝶閥密封壓力影響因素分析

楊恒虎，郝嬌山，王偉波，廖 靜

(1.重慶川儀調節閥有限公司，重慶 401121； 2.重慶川儀自動化股份有限公司技術中心 調節閥研究所，重慶 400707)

引言

三偏心蝶閥是由中線蝶閥、雙偏心蝶閥逐步演化而來[1]，通過獨特的3個偏心，使得蝶閥由位置密封變為扭力密封[2]，極大地提高了蝶閥的密封性能，降低了對執行器配置，兼具調節與截止雙重作用[3]；相較于其他截止閥，具有口徑大、流通能力強、價格低廉等優點[4-5]，廣泛應用于石油化工、液化天然氣、市政建設、農業灌溉等行業[6-7]。目前市場制造的三偏心蝶閥密封圈多采用金屬與非金屬相間排列的多層次密封圈結構，各層密封圈之間通過粘膠粘接為一個整體。但多層次密封圈在使用過程中存在以下局限性：

(1) 密封圈各層之間的粘膠存在使用溫度上限，過高溫度會致使粘膠失效；

(2) 三偏心蝶閥開啟后，流體介質直接沖刷密封圈密封面，非金屬密封面易受介質沖刷而失效，縮短了三偏心蝶閥使用壽命。針對上述局限性，全金屬密封圈應運而生，主要有兩種結構：多個金屬圈粘接為1個密封圈和1個金屬密封圈；但全金屬密封圈密封性能大大降低，不能達到相應的泄漏等級要求。

目前眾多學者也對三偏心蝶閥進行了各項研究。俞鈞[8]推導了三偏心蝶閥密封壓力解析公式，但相關推導公式是基于密封面各處壓力相同的假設而建立，且未計算蝶閥關閉時，執行器輸出的預緊扭矩對密封壓力的影響；董研[9]運用ANSYS Workbench模擬分析了三偏心蝶閥密封壓力，表明三偏心蝶閥密封面接觸壓力呈現不連續狀態；楊恒虎[10]采用有限元軟件對三偏心蝶閥介質反向流時，多層次密封圈與全金屬密封圈密封壓力進行了初步分析，并未深入研究密封面密封壓力的影響因素；徐滟等[11]、何慶中等[12]均采用有限元分析軟件對3個偏心與密封性能關系進行了研究分析，未對其他結構因素進行分析。為全面探究三偏心蝶閥密封性的影響因素，運用有限元分析軟件ANSYS Workbench對不同狀態下的三偏心蝶閥密封圈與閥座間的密封壓力進行模擬分析，對三偏心蝶閥的結構設計與優化具有重要意義。

1 有限元模型建立

1.1 三維模型

以VBJG DN250 Class150 多層次三偏心蝶閥的三維模型為基礎，建立工況分析所需的三維模型，其主要的結構參數為軸向偏心27 mm，徑向偏心4 mm，角偏心8°，半錐角15°。為提高計算效率，對三維模型進行簡化重建，去掉對此次模擬分析影響甚微的零部件，如支架、執行器、法蘭盤，簡化完成后三維模型僅保留壓圈、蝶板、密封圈、閥軸、閥體、螺栓6部分；為便于查看其內部結構，此處采用三維半剖圖，如圖1所示。閥座為整體式閥座，與閥體合二為一；密封圈通過壓圈與螺栓壓緊在蝶板上，閥軸與蝶板采用銷連接。當蝶閥關閉時，執行器輸出扭矩通過閥軸與蝶板帶動密封圈按圖中所示方向旋轉，使密封圈壓緊在閥體上的密封面，從而實現密封。

圖1 三偏心蝶閥簡化后三維半剖圖

1.2 網格劃分

網格劃分涉及計算效率、計算精度與收斂性；當網格較大時，計算精度、收斂性差，求解速度快；當網格較小時，則剛好相反。為平衡三者的關系，針對本次分析模型為三維實體模型，各部件之間存在眾多接觸問題，因此，對整體采用帶中間節點的高階實體單元，以提高非線性求解收斂性。為減小網格數量，可對整機采用六面體為主的網格進行劃分。當密封圈結構為多層次時，每層密封圈較薄，最小厚度為1 mm，為更好的模擬物理場，對密封圈上接近密封面小塊區域劃分為2層網格。對與密封圈密封面相配合的閥座密封面，進行相應細化。劃分好的網格數量約為35.8萬，節點數量約為57萬，如圖2所示。

圖2 三偏心蝶閥網格示意圖

1.3 接觸及邊界條件設置

ANSYS Workbench對各部件接觸面預設為綁定接觸關系，但有些零部件之間為非綁定關系，需對不符合實際情況的接觸關系進行修改。此處，需將密封圈與閥座、密封圈與壓圈、密封圈與蝶板之間的接觸修改為摩擦接觸，使之符合實際情況。對于密封圈多層次結構，各層之間的接觸依據表1工況進行設置，其余各處零部件接觸保持默認的綁定即可。

表1 三偏心蝶閥不同狀態下的密封圈參數

在實際工況中，三偏心蝶閥關閉時，同時承受閥桿預緊扭矩和介質壓力雙重作用。由于偏心作用，介質壓力的不平衡性將產生1個使蝶板繼續關閉的扭矩；此外，作用于蝶板的介質壓力將密封圈推向閥座，產生擠壓作用，增大密封壓力，利于密封；因此，可不考慮介質壓力對密封壓力影響，負載只需加載預緊扭矩1000 N·m即可。如圖3所示，邊界條件設置如下：

圖3 邊界條件的設置

(1) 在閥軸上截取一圓柱曲面，用于施加執行器的輸出扭矩；

(2) 在實際使用中，三偏心蝶閥與管路通過螺栓連接，因此，固定約束施加在閥體兩端面，避免蝶閥整機的剛性位移和固支約束引起的結構強度增加；

(3) 在螺栓上添加相應的螺栓預緊力，使密封圈壓緊在閥板上。

2 密封壓力模擬分析結果

三偏心蝶閥為扭矩旋轉擠壓式密封結構，其密封面為斜置圓錐的環面；關閉時，需密封圈整個環面各處均未發生泄漏，才能實現密封。據研究，三偏心蝶閥各處密封面間壓力分布不均勻[9]，因此，其密封性能不可以密封面上最大密封壓力為評判依據，需以密封環上能否形成連續完整壓力環以及壓力環中的最低壓力值為評判依據。為獲得密封圈密封壓力分布情況，對表1所示各工況下的密封壓力進行有限元模擬分析，其結果如下。

2.1 工況一密封壓力分析結果

工況一為目前三偏心蝶閥廣泛應用的金屬與非金屬相間的多層次密封圈，其各層密封圈間用粘膠粘接為一體，故采用綁定接觸，螺栓預緊力為8022 N、預緊扭矩為1000 N·m，壓圈和密封圈總厚度均為8 mm。圖4為工況一的密封圈密封面上壓力分布云圖。其密封壓力存在以下分布規律：

圖4 工況一密封壓力分布云圖

(1) 各層密封圈均能形成一定密封壓力環面；

(2) 密封圈各處密封壓力分布不均勻，其中最大密封壓力為66.7 MPa，最小密封壓力為0；

(3) 金屬密封圈密封壓力分布在18 MPa左右，非金屬密封圈密封壓力分布在1.5 MPa左右；

(4) 密封圈大端與小端區域密封壓力分布規律恰好相反；對于密封圈大端區域，密封壓力主要集中在密封面后端，約為18 MPa；對于密封圈小端區域，密封壓力主要分布在密封面前端，約為35 MPa，但僅分布在密封圈的邊緣上，密封性能明顯弱于大端區域；

(5) 密封圈大端與小端相反的密封壓力分布規律，致使密封壓力在閥軸附近形成過渡區，其密封壓力可達17 MPa。

因此，三偏心蝶閥多層次金屬與非金屬組合密封圈，在1000 N·m的關閉扭矩下，可形成17 MPa密封壓力環面。

2.2 全金屬多層次密封壓力分析結果

工況二、三、四密封圈的結構型式仍為多層次結構，但其材質均為SUS304，探索密封圈材質和密封圈各層接觸關系對三偏心蝶閥密封壓力的影響。其中，工況二的各層密封圈接觸關系為綁定，即各層密封圈間用粘膠粘接為整體，各層之間不存在相對滑移；工況三的各層密封圈間的接觸關系為不分離，允許各密封圈之間在徑向上具有可滑移性，但各密封圈在軸向上不會發生分離；工況四的各層密封圈間的接觸關系為摩擦，允許密封圈在軸向和徑向均可發生分離。

圖5a為工況二下的三偏心蝶閥密封壓力分布云圖，其密封壓力分布特點為：對于密封面大端區域，密封壓力主要集中在后端，而密封面小端區域，密封壓力主要集中在前端且密封壓力在閥軸處形成壓力為3.6 MPa 的過渡區，因此工況二所述密封圈僅能形成3.6 MPa的密封壓力環面。對比圖4可知，多層次全金屬密封圈降低了密封圈的密封壓力分布均勻性和密封壓力過渡區的壓力值，降低了密封性能。

圖5b、圖5c 分別為工況三、四下的三偏心蝶閥密封壓力分布云圖，兩種工況的密封壓力分布規律基本相同，整體密封壓力分布均勻，整個密封圈可形成7.8 MPa的密封壓力環面，因此，多層次密封圈軸向上的可滑移性，對三偏心蝶閥密封壓力的影響較小。對比圖4和圖5a可知，多層次密封圈徑向上的可滑移性，能有效改善密封圈密封壓力分布均勻性，提高密封壓力過渡區的壓力值，極大地提高三偏心蝶閥密封圈的密封性能。

圖5 全金屬多層次密封壓力分布云圖

2.3 全金屬單層次密封壓力分析結果

工況五分析了4.8級、6.8級、8.8級、10.9級標準螺紋連接預緊力即8022，12033，16044，22562 N下，單層密封圈密封壓力分布情況。通過對比發現，不同螺栓預緊力下的密封壓力分布規律基本相同，限于篇幅，此處僅給出了8.8級螺栓預緊力下密封壓力分布云圖，如圖6a所示。對比圖5a可知，其密封壓力分布規律與工況二保持一致，兩者僅在密封壓力數值上存在微小差異，因此，當多層次全金屬密封圈各層之間為綁定關系時，可等效為單層金屬密封圈。通過軟件讀取4種螺栓預緊力下，密封圈的密封壓力可知，最大密封壓力分別為44.4，50.6，44.0，42.0 MPa，而過渡區的密封壓力分別為3.9，3.6，3.1，3.0 MPa。因此，三偏心蝶閥的密封性能隨螺栓預緊力的增大而降低，下降幅度較小。結合圖5c 可知，單層金屬密封圈的密封壓力分布均勻性和過渡區密封壓力值遠弱于多層次全金屬密封圈。

圖6 全金屬單層次密封壓力分布云圖

圖6b為工況六下，三偏心蝶閥密封壓力分布云圖。由圖可知，當壓圈加厚10 mm后，密封圈小端區域的密封壓力分布由密封面前端移至后端，其中密封面大端區域的密封壓力為15.8 MPa左右，密封面小端區域的密封壓力為12.1 MPa左右，薄弱區的密封壓力約為10 MPa。結合圖6a可知，壓圈加厚改變了密封壓力分布規律，使得密封面無明顯的密封壓力過渡區且極大提高了閥軸附近的密封壓力值，提高了密封性能。

圖6c為工況七下，三偏心蝶閥密封壓力分布云圖。其密封大端區域的密封壓力為50 MPa左右、密封小端區域的密封壓力為46 MPa左右，可形成6 MPa的密封壓力環。結合圖6a可知，密封圈變薄，密封壓力的整體分布規律與工況五保持一致，可提高了過渡區密封壓力值，利于密封，但對過渡區密封壓力改善不明顯。

3 結論

通過對7個工況下，三偏心蝶閥密封壓力的模擬分析，得到了各工況密封圈上密封壓力的分布規律以及過渡區密封壓力值，通過分析可得如下結論：

(1) 三偏心蝶閥密封壓力影響因素，除了結構參數外，還包括密封圈的型式、螺栓預緊力、壓板厚度、密封圈厚度等，在設計時，應依據各因素對密封壓力的影響規律，選用合適結構及尺寸，提高密封性；

(2) 三偏心蝶閥密封壓力分布不均勻，以閥軸為中心，兩端的密封壓力分布規律相反，在閥軸附近形成低壓力過渡區，其為影響三偏心蝶閥密封性的關鍵區域；

(3) 通過對比分析結果可知，三偏心蝶閥采用多層次密封圈、增大壓圈厚度可改善密封壓力分布均勻性，提高過渡區密封壓力值，是實現全金屬密封圈的一條有效途徑。