高溫高壓三偏心蝶閥研發及應用的探討

潘益茅 洪衛 鐘家富 宋吉利

摘要：在我國煤化工產業不斷發展的背景下，高溫高壓閥門的使用工況在不斷增加，而三偏心硬密封蝶閥的綜合效益相對較高。深入研究高溫高壓三偏心蝶閥的研發設計要求，掌握在高溫高壓三偏心蝶閥研發過程中必須關注的重點問題。同時需要加強高溫高壓三偏心蝶閥的扭矩計算工作。可以為高溫高壓三偏心蝶閥的創新發展提供一定參考，促進三偏心蝶閥地進一步發展。

關鍵詞：三偏心蝶閥;高溫高壓;研發要點;應用要點

前言

在煤化工生產過程中，對三偏心蝶閥的應用越來越普遍。尤其是為了能夠滿足不同的工況需求，蝶閥在不斷演化和發展。為了充分發揮高溫高壓三偏心蝶閥在煤化工產業應用中的優勢，需要根據當前高溫高壓三偏心蝶閥產品標準和在高溫高壓狀況工況下必須考慮的各種因素，促進高溫高壓三偏心蝶閥的研發。這對推動我國重大裝備制造業的發展也有重要意義。

一、三偏心蝶閥特點與結構

三偏心蝶閥是溫度為425攝氏度以下的可以在化工生產、冶金以及電力等不同工藝管道上應用的設備，其主要作用是對流量進行調節，同時可以截斷流體。一般情況下，三偏心蝶閥是以鑄鐵、鑄鋼、不銹鋼材質為主，三偏心蝶閥的主要特點表現在以下方面：第一，具有雙重的安全構造。一般三偏心蝶閥在生產制造時，為了防止受流體壓力溫度的影響出現變形、錯位、密封面咬合等問題，會在底板上下安裝獨立的止推環，確保閥門在任何工況下都可以正常運行。同時為了有效防止閥桿破損飛出而產生的突發事故，還會在閥門的下端內外兩處設計獨立的閥桿飛出防止機構也能夠確保蝶閥在高溫高壓狀態下的安全性。第二，無死區設計。在三偏心蝶閥設計過程中，對調控領域的具體應用情況充分考慮，可以充分發揮三偏心蝶閥的密封原理。在閥門開關時，可以防止蝶板刮擦損傷，確保閥桿的扭矩通過蝶板可以傳遞到密封面，能夠避免打開不同閥門時導致的跳躍問題。同時可以解決在閥門低開度范圍內，因為摩擦而產生的不安定因素。這代表著在三偏心蝶閥應用過程中，從0開度開始就能夠進入可調控的區域，一直到90開度，其正常調控比一般蝶閥的兩倍以上。將其用作調控閥可以創造更加良好的條件，尤其是在大口徑截止閥應用過程中具有較強的經濟效益和安全效益。第三，本體閥座構造。三偏心蝶閥的閥座是以本體閥座構造為主，將閥座直接安裝在本體上，能夠減少閥座與介質接受接觸的機會，降低閥座受沖蝕的影響。從而延長閥座的使用壽命和應用性能。第四，高密封填料結構。三偏心蝶閥屬于回轉型的閥門，閥桿動作僅為90度回轉。這與閘閥、截止閥等閥桿動作相比。填料部分的受磨損程度比較低，使用壽命相對較長，并且在材料密封時能夠防止外部泄漏[1]。

二、高溫高壓三偏心蝶閥的研發中需要關注的問題

（一）高壓工況下的產品標準

對高壓高溫三偏心蝶閥進行研發的過程中，需要以三偏心蝶閥的具體標準為基礎，探討其在高溫高壓狀態下的應用需求。我國現有的國家標準中與研發相關的規定中對閥門的一般要求與美國的相應標準相接近。在對高溫高壓三偏心蝶閥進行研發的過程中，需要確保蝶閥的工程壓力在PN5.0MPa以上。按照這一標準對三偏心蝶閥進行研發可以提高我國三偏心蝶閥的研發水平。但是對這一標準下的三偏心蝶閥進行研發的過程中，會對企業會造成一定困難。主要是因為我國并沒有相應的國家標準，在研發時存在無標準可依的情況。同時在產品研發過程，如果研發的產品與國家將來出臺的標準不符合，可能會造成經濟損失。因此，這是在高溫高壓三偏心蝶閥研究和生產過程中必須關注的重點內容。

（二）軸與軸承間隙

在高溫工況下需要考慮軸與軸承之間的間隙問題，這是提高高溫高壓三偏心蝶閥應用水平的重要基礎。軸與軸承之間的間隙至關重要，會對閥門的開關性能產生直接影響。因為閥體的體積相對較大，在局部溫度升高的過程中，短時間的膨脹效果并不明明顯，可能會出現膨脹受限的問題。因此，軸承的膨脹空間受閥體的膨脹限制相對較大，不能認為軸承是充分膨脹的。甚至在研發過程中，如果軸承外部受到一定限制，可能會向內膨脹導致內孔出現畸形。為了對這種問題進行有效解決，可以將軸承加工成開口的C形結構，如果軸承內壁堆焊硬質合金，軸承的內孔膨脹系數必須要以硬質合金的膨脹系數為基礎進行計算[2]。此外，一般高溫三偏心蝶閥前后軸承都需要以外置方式設計，這種設計方式可以防止閥桿和閥體的金屬材料在高溫條件下膨脹，導致閥桿直徑增加，軸孔直徑縮小引發的閥桿與閥體軸孔摩擦力增大問題，能夠避免旋轉扭矩增加和傳動件卡死。

為了確保在高溫工況下三偏心蝶閥的軸與軸承徑向間隙和合適，在高溫下的間隙通常會比常溫下的間隙更大。例如DN1300mm的軸向設計中，如果溫度在400℃以上，為了保證間隙標準，在常溫下的間隙要達到0.6毫米以上。在常溫環境下做實驗時，閥板的單側受壓后，軸會完全偏向另一側。對于閥座和閥板密封圈的位置也會產生影響。因此，在研發過程中需要對消除側向移位的影響。一般情況下軸的熱變形量計算采取的公式為以下兩個：

其中為α軸材料線膨脹系數;表示的是溫度變化值。

（三）密封面堆焊

在對三偏心蝶閥的密封線進行處理的過程中，需要利用有效的硬化措施，尤其是在高溫高壓工況下的三偏心蝶閥研發過程中，要特別注意其使用工況的具體要求。因為三偏心蝶閥是金屬對金屬的硬密封性結構，在閥門關閉時接觸面必須要保持密封比壓。在高溫工況下，普通不銹鋼的強度會大幅度下降，如果沒有對表面進行硬化處理，會導致接觸面出現屈服受損問題而影響密封效果。因此，為了保證密封效果以及密封壽命，要加強密封面的硬化處理工作。例如利用堆焊硬質合金或者熱噴涂硬質材料等都能夠達到硬化處理要求。目前，在對密封面進行處理時，比較常用的措施是利用堆焊進行硬化處理。可以將司太立合金應用在密封面堆焊過程中。司太立合金在高溫狀態下具有較強的硬度和強度，加工性能比較優良，是目前應用比較良好的堆焊材料。在實際堆焊時還要充分考慮閥板密封圈和閥體密封圈部位，可以利用不同牌號的硬質合金材料完成堆焊作業，確保兩者之間有一定的硬度差，防止相同材料咬住，可以提高密封效果[3]。

（四）軸的軸向膨脹與閥板位移

通常情況下，軸與閥板之間需要利用銷釘、鍵等進行連接，軸帶動閥板可以完成開關動作。完成軸安裝作業后，軸向是不可以浮動的，但是在高溫狀況下，軸的熱膨脹量比較大，軸會明顯向一側位移。在這種情況下會導致軸帶動閥板移動，從而使閥門卡死或者銷釘受剪切損壞。為了確保閥門處于正常的開關狀態，必須對閥門的軸向位置進行充分考慮。對高溫高壓三偏心蝶閥進行研發時，可以利用鍵對軸和閥板進行連接，防止軸的熱膨脹影響閥門的左右竄動。與此同時，還要在閥板組件的兩頭設置蝶形彈簧，進一步確保閥板組件的穩定性，使其始終處于閥門的中心位置，在軸出現軸向膨脹時，可以有效防止閥門移位。

三、高溫高壓三偏心蝶閥的扭矩計算

在對高溫高壓三偏心蝶閥進行研發時，還要注意考慮其扭矩計算問題。因為三偏心蝶閥的密封圈受力情況相對復雜，再加上在加工制造過程中，其具體的精度會對生產結果產生巨大影響。在這種情況下需要加強三偏心蝶閥軸扭矩計算工作。通常情況下，三偏心蝶閥受到的扭矩主要包括填料摩擦力矩、軸承摩擦力矩、閥瓣偏心距導致的流體不平衡力矩、閥瓣密封面作用力形成的密封力矩、流體流動形成的動力矩等。這五個方面的力矩不一定同時存在，例如在閥門關閉時動力矩不存在，密封力矩在閥門開啟時也不存在。除了填料摩擦力矩處于穩定狀態之外，其他的力矩都是隨著閥門開度的變化而變化的。在力矩計算的過程中，需要根據流體工況的具體情況和對閥門功能的要求，對力矩結果進行科學計算。這樣才能夠確保三偏心蝶閥執行機構研發的合理性。要注意在三偏心蝶閥執行機構配置時保證其功能的可靠性。因為閥門軸的規格和材料以及密封面結構和材料等會對閥門的運行產生影響，執行機構的輸出力太大或者太小等都會對閥門的可靠性產生影響。力矩太大會導致密封面損壞;力矩太小會使閥門不能精確定位。此外，還要考慮到三偏心蝶閥的研發過程中的經濟性和操作方便性，提高三偏心蝶閥的應用效益[4]。

四、結語

綜上所述，根據三偏心蝶閥的具體特點對高溫高壓工況下三偏心蝶閥的研發要點進行全面掌握，可以在一定程度上提高三偏心蝶閥的應用水平。完成高溫高壓三偏心蝶閥研發工作后，將其應用在實際生產過程中，探討其具體的應用情況。根據綜合對比發現高溫高壓三偏心蝶閥的相關技術指標已經能夠達到國際領先水平，特別是高溫高壓大口徑系列的三偏心蝶閥在工藝條件比較苛刻的煤化工廠具有突出的應用效益。

參考文獻：

[1]李霆，郁正濤，張杰，等. 高溫三偏心蝶閥材料的選擇[J]. 通用機械，2019，No.206（08）：45-47.

[2]張玉彩. 論高溫高壓金屬硬密封三偏心蝶閥性能特點與制造[J]. 中國機械，2019（16）：110-110.

[3]江力. 三偏心蝶閥的結構設計及優化要點[J]. 科技與創新，2019，000（024）：P.96-96.

[4]楊玲玲，張建斌. 三偏心金屬密封蝶閥密封結構的改進設計[J]. 中國設備工程，2019，000（004）：72-73.