三偏心金属密封蝶阀密封结构的改进设计

2019-03-07杨玲玲张建斌

中国设备工程 2019年4期

杨玲玲，张建斌

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

1 概述

在三偏心金属的密封蝶阀结构中，具体三偏心是指阀杆轴心能够偏离碟片及本体中心，同时密封为斜椎碟阀，在社会生产中三偏心蝶阀也常被运用于化工，冶金，电力等一些工业管道中介质温度低于425℃，能够实现流量调节以及流体截断的作用。三偏心高性能蝶阀其结构类型为整体法兰式与全焊接式两种，整体法兰式高性能蝶阀用于压力等级Class≤600（10.0MPa），公称通径为NPS（4～24英寸），介质为水、蒸汽天然气及油品，其工作温度为≤350℃的工业主管路系统、供气管路及输油管路中，用于截断或调节管路中的介质；焊接式高性能蝶阀用于压力等级Class≤600（10.0MPa），公称通径为DN（100～1000mm），介质为热水、发电厂循环水、蒸汽，其工作温度为≤350℃的工业主管路系统、供气管路及供暖系统上，用于截断或调节管路中的介质。针对密封圈经常失效，对阀座密封圈结构进行了优化设计，密封结构采用三偏心硬密封结构，阀座与碟板不会出现磨损，且在密封功能上越来越紧，采用硬化钢材料制作密封圈，拥有金属的弹性和密封性这两种特点，无论处于低、高温情况下都能具有良好的密封性能，同时能够延长结构的使用寿命和耐腐蚀性能。

2 分析

三偏心硬密封蝶阀的密封面以及阀座间需要依靠传动装置产生的力矩，进而能够使阀板向阀座密封。当流道介质处于正向流动状态时，介质压力越高，密封挤压就越紧；当介质处于逆向状态时会随其压力升高。阀板与阀座间压力会小于相应的介质压强，会使密封圈泄漏。由于阀板被固定在密封圈上，当其处于常开状态下，介质会对密封面形成冲刷作用，使金属片的夹层受到软密封带冲刷作用，进而影响其最终的密封效果。从三偏心硬密封蝶阀的阀板整体上来看，该结构比较厚重，具有较强的流阻力。受此结构条件的限制，因此该结构设计不适用于DN100以下的阀门。三偏心蝶阀的密封圈一般采用（带夹层或不带夹层）多层结构，其单层的厚度仅为2～3mm，从而具备弹性性能，但是很多结构也存在一些缺陷。

（1）多层结构很难实现良性贴合。

（2）虽然设计多层结构，但真正起到作用的只是其中的一层，单层的厚度较薄，而硬密封蝶阀需要比较大的力矩才能实现密封，因此层与层之间容易发生塑性变形和翘曲。

（3）因起密封作用的只有一层结构，尤其在一些特殊情况下需要采用整体性的密封圈结构设计，从一定程度上来看，虽然会使该结构降低弹性性能，然后却会提高结构的使用寿命，大大降低了维修成本。

（4）由于其设计原理，我们在阀座与阀板之间需要依靠传动产生的力矩使阀板向阀座进行推压，当处于逆流介质状态下，随压力增加阀座与阀板间的压力会小于压强，此时会出现泄漏的问题。

3 改进

阀体使用优质碳素钢锻件，整体式结构消除了外漏顾虑，质量轻、结构紧凑，便于与管道焊接安装。蝶板与阀座靠机械力不会通过介质压力来产生，因此无论哪种工作压力状态下都可以实现良好的双向密封性，尤其对于一些低压状态下蝶阀同样具备这种良好的密封性能。此外，弹性阀座可以保证在温度剧烈波动下，仍实现可靠的密封；同时，阀体的热胀冷缩也不会影响到密封的牢固，更不会造成夹持卡阻现象，是良好的自适应密封结构，能够自动进行调节，以获取最佳的位置。同时可以将蝶板设置为u型安装偏心，当蝶板与密封圈实现有效闭合时，密封圈外压作用会使密封圈与短轴进行良好接触。当阀门开启时，两者又立即分开了，密封圈恢复成原来的形状，这样就防止了磨损，阀门就能经受住几十万次的运行。当关闭阀门时，基于偏心的作用下，阀板会压在阀座上进而使两者之间不会产生较大摩擦，摩擦系数较低，其摩擦能量消耗越少，进而能够延长结构的使用寿命。除此之外，安装新型的密封圈之后会在阀板和阀座之间产生弹力，密封圈向外压会使得各个密封圈间存在间隙位置，能够存在一定程度的变化，因此在关闭阀门时，由于受到闭合力的作用，密封圈会移至到受力均匀位置上，使密封圈变形程度较小，密封圈受力比较均匀，能够达到良好的密封性好果。三偏心硬密封蝶阀的密封圈。我们通常选择304L或其他型号的奥氏体不锈钢，这种结构强度较低，当密封圈处于较薄的情况下，通常一般为2～3mm的范围内，这种密封圈很容易产生变形，比如塑性变形，进而会使整体的密封性能降低，因此为了能够获得良好的密封性能，我们通常可以采用INCOLOY 825冷轧不锈钢板，用板材落料条状，两端堆焊，修磨内圈的焊缝，在对称卷压成型，表面及密封区域，能够利用机械方式完成加工，将其硬度要求控制在36HRC范围内，屈服强度应当高于860兆帕。可以将硬铬镀在阀座密封面上，其硬度在43HRC以上，而两个密封面会存在一定程度的硬度差，进而使之具有较高弹性性能且很难发生形变。这些措施都有力地保证了较好的长期密封性能。针对密封圈受力不均和弹性不足等缺点，设计了一种U型整体密封圈，使得蝶板和压板的形状变成了U型（如图1），这样密封圈与各个边缘的距离基本相同，减小了阀杆的轴径向偏心值数据，但起密封作用的地方厚度仍为2～3mm，因此采用u型设计的密封圈具良好的弹性性能，能够使其周边产生均匀变形和应力要求，进而实现良好的密封性好果。图2为三偏心蝶阀。

图1 U型密封圈

4 性能及试验

不同偏心结构的蝶阀，其性能也会随之变化。随着阀板偏心数的增加，阀板的厚度也会增加，介质流经三偏心蝶阀的阻力也会随之增大，随偏心数而增加，密封效果也会发生显著变化。三偏心高性能蝶阀在使用过程中出现的压力损失能够被认为是调节阀使用造成的。当介质经过阀门时，其压力损失会随系数增加而增加。然而，对于一些非蝶阀和阀门来说，这种压力损失是相对较小的，同时蝶阀偏心系数的变化也会从一定程度上影响密封性能，偏心数较大时，在开启和闭合中所产生的传动扭距会相应减小，因此扭矩比其他形式来说几乎可以忽略不计。偏心数变化还会导致温度、压力发生显著的变化，相比其它的蝶阀来说三偏心蝶阀最适压力和温度等级是占优势的。总而言之，我们分析三偏心高性能蝶阀具有以下特点：切断三偏心金属密封蝶阀能够利用扭转力矩切断阀门，由于阀座具有良好的密封性，因此我们可以将其称为是零泄漏。当介质中带有一些杂物和其他固体颗粒物时并不会对三偏心金属密封蝶阀性能产生影响。由于当关闭阀门时流速较高，而这些杂物不会在阀座中进行沉淀。按照GB/T 13927-2008《工业阀门压力试验》标准的泄漏量要求，对试制的DN250 PN5.0MPa的新结构三偏心金属密封蝶阀进行了泄漏量检测（表1）。测试结果：密封结构改进后的三偏心蝶阀可以承受5.5MPa的密封试验压力，且泄漏量为0滴/min，达到了设计要求。依据JB/T 8863-2004《蝶阀静压寿命试验规程》标准要求，对蝶阀进行了动作寿命试验，在5.0MPa压差下开启阀门，在内腔5.0MPa压力下关闭阀门，循环操作5000次；阀门能正常操作、无卡阻现象，零件应无明显损坏，测试后进行阀门的液体密封试验，泄漏量仍然为0滴/min，蝶阀性能可靠，能满足工况要求。