直通式隔膜閥密封結構的分析及優化

摘 要：文章介紹了直通式隔膜閥的密封結構，針對用戶現場的密封難和操作扭矩大的問題，對其進行了結構特點和原因的分析，并提出了解決方案，根據解決方案對隔膜和閥體的結構修整后，試驗驗證了閥門的密封和操作性能，并在后續的產品中逐步改進。

關鍵詞：直通式隔膜閥；密封；扭矩；分析；優化

1 概述

直通式隔膜閥是目前核電站常用的隔膜閥之一。該閥采用無填料函結構，橡膠隔膜可使流道內的腐蝕介質與所有的驅動部件處于隔離狀態。閥體流道采用直通式縮徑結構，在滿足流通能力要求的前提下，可縮短閥門的行程，但由于其流道平滑，流阻小，可降低系統損耗。文章主要分析解決在實際生產和使用過程中，直通式隔膜閥存在滲漏和操作扭矩大的問題。

2 問題分析

直通式隔膜閥（圖1）屬于軟密封結構，其利用橡膠的變形實現閥門的密封。隨著閥門口徑的增加，密封面會出現滲漏的現象。在某工程項目上應用的≥DN50直通式隔膜閥中，出現關閉扭矩較大，單人操作困難，并存在滲漏問題。

2.1 隔膜存在制造偏差

隔膜的形狀主要分底部半球形狀和半球相切圓錐的球錐形結構。隔膜采用金屬閥瓣和橡膠整體模壓成型，采用槽嵌與閥瓣粘結的方式，確保結合牢固，不會發生因脫開而導致啟閉動作失效；隔膜球面頂部厚度相對較大，保證了球面密封處變形量較大的需求。從隔膜的結構上看，在沿隔膜壁厚的方向上局部壁厚不均勻，主要表現在閥瓣與隔膜的連接槽嵌結構處（圖2）和隔膜球面頂部，其厚度最大。模壓成型后，在隔膜冷卻的過程中有一定的收縮量，厚度越大的部位，其收縮也越大。所以在隔膜槽嵌處可能出現一條環形凹陷，隔膜球面頂部可能出現塌陷現象，導致隔膜密封面與閥體密封面不能完全貼合。為了更好地達到密封效果，就必須加大隔膜的擠壓量，使凹陷處達到必須密封比壓，將導致閥門的操作扭矩會增大。

3 修整方案

3.1 隔膜結構

為了確保閥瓣與隔膜結合牢固，連接的槽嵌結構必須保留，這樣就無法滿足壁厚均勻的要求，針對此問題為了彌補較厚方向收縮較大的問題，在模壓過程中，通過貼肉的方式進行修整（圖6），對模具進行了反復的修整，并對樣品多次檢測后的總結，按照圖的方式對模具進行修整后，模壓出來的產品其密封面的輪廓接近于理想的狀態，從而解決了槽嵌處收縮較大的問題；對于隔膜球面頂部，將去除多余的部分，保證隔膜壁厚的均勻。改進后，確保了整個密封面的輪廓尺寸接近于圖紙要求。

3.2 閥體結構

由于上述密封形式采用與堰式隔膜閥類似的帶狀密封面問題的分析，對閥體進行修模，使閥門通道與中腔交匯處填實（圖7），并與前后密封面保持一致，修整后，隔膜與閥體的配合成圓錐對圓錐的配合，確保了兩者的對中心；在介質的作用下，隔膜受介質的推力有向出口端擠壓的傾向，在出口端形成一環形帶密封，密封形式改為出口端密封，修整前后的密封面對比如圖7，修整后，減小了密封面的面積，在介質的作用下確保了閥門具有良好的密封性能，減小了閥門的操作扭矩（理論計算結果見表1）；從密封環與隔膜受壓冷流的兩個部位分析，修整后，隔膜出現冷流的部位在密封環之外，使隔膜的冷流不會影響閥門的密封性能，保證了閥門能夠建立良好的密封。

4 試驗驗證

根據上述的修整方案，對相應的隔膜及閥體修整后，進行了DN80和DN100兩個規格的閥門進行了理論計算，并進行了相應的密封試驗和操作關閉力矩的測量，從修整后的閥門的性能（表1）分析，經過修整后閥門的密封效果得到提高，閥門關閉操作力矩下降明顯。

表1 閥門性能試驗結果

5 改進優化方案

5.1 仍存在的問題

原結構直通式隔膜閥閥體的中法蘭上端面、密封面及螺栓孔都需進行機加工，并機加工后的密封面存在砂眼，需進行返修，并且機加工表面的防銹也相對困難，防銹液的選擇不能影響隔膜的壽命，在制造成本上相對加大；閥體密封面形式與隔膜密封面形式完全吻合，在關閉時，隔膜壓縮的過程中，底部球面和側邊錐面的變形量是不一致的，達到密封后，底部球面的隔膜有過壓的現象，影響隔膜的壽命，導致扭矩大的原因。

5.2 優化方案及結果

5.2.1 閥體的鑄造形式

直通式隔膜閥屬于軟密封結構，在密封時橡膠能夠填補相對粗糙的表面，并能夠達到密封效果。隔膜閥閥體、閥蓋鑄件形式采用了硅溶膠鑄（圖8），鑄造等級達到CT6級，密封表面的粗糙度達3.2μm，以確保閥門能夠密封。密封面及螺栓孔采用直接鑄造的方式成形，使得整個閥體無需，減免了加工的成本和周期，并從根本上克服了以往密封面機加工后的砂眼及防銹難的問題。

5.2.2 閥體密封面

為了更好地達到密封效果，通過模擬閥門密封面的壓縮情況，確定在閥體在保持α角的基礎上，使閥體球面半徑比隔膜球面半徑小0.5～1.5mm，在關閉閥門的過程中，最初隔膜和閥體接觸時，為錐面先接觸，隔膜球面頂部與閥體球面底部還有一定的間隙；繼續關閉閥門，使得隔膜球面頂部與閥體球面底部接觸，這樣在錐面上隔膜就有一定的變形量Δ1（圖9）；再繼續關閉閥門，使得隔膜球面頂部受閥體球面底部的擠壓，使得隔膜有一定的變形量Δ，并達到密封，同時在錐面上隔膜再次被擠壓，在原來的變形量基礎上加了一個增量Δ2；最終使Δ=Δ1+Δ2，這樣隔膜在整個密封面上的變形量基本一致，解決了在關閉過程中，錐面的變形量遠小于隔膜球面變形量的問題，保證了隔膜變形均勻，產生的密封比壓基本一致，避免了過壓現象，保證了隔膜的壽命，并降低了閥門關閉扭矩。

5.2.3 密封面寬度L

通過閥體不同結構的多次密封試驗，閥門通道與密封錐面相交處的尺寸R必須得到保證，應盡量避免鑄造過程中加大圓角或后續打磨圓角，破壞該尺寸，以確保密封面的寬度L（圖10）。在關閉閥門時，因在錐面的變形量調整較小，通過隔膜變形產生對閥體密封面的正壓力有限，實際的密封比壓值相對固定，其值相對較??；根據必須密封比壓的計算公式：qMF=■，密封面的寬度與必須密封比壓成反比，密封面的寬度越窄，則需要的必須密封比壓就越大，當必須密封比壓大于實際密封比壓時，閥門就不密封。所以只有保證密封面的寬度L，使必須密封比壓值保持較小，在最初設定的隔膜錐面處的變形量，就能提供足夠的密封比壓，確保閥門密封效果。

5.3 試驗結果

根據優化方案，對相應的閥體優化后，對DN50閥門進行了理論分析計算，并進行了相應的密封試驗和操作關閉力矩的測量，從優化后的性能（表2）分析，經過優化后閥門的密封效果保持良好，閥門關閉的操作力矩下降，制造成本得到減低。

表2 閥門性能結果

6 結束語

通過對直通式隔膜閥密封結構的逐步改進，保證了閥門的密封效果，閥門關閉操作力矩大大減小，降低了生產的成本，為其產品后續的問題處理積累了經驗。

參考文獻

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