三偏心金屬密封蝶閥密封結構的改進設計

楊玲玲，張建斌

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

1 概述

在三偏心金屬的密封蝶閥結構中，具體三偏心是指閥桿軸心能夠偏離碟片及本體中心，同時密封為斜椎碟閥，在社會生產中三偏心蝶閥也常被運用于化工，冶金，電力等一些工業管道中介質溫度低于425℃，能夠實現流量調節以及流體截斷的作用。三偏心高性能蝶閥其結構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Class≤600（10.0MPa），公稱通徑為NPS（4～24英寸），介質為水、蒸汽天然氣及油品，其工作溫度為≤350℃的工業主管路系統、供氣管路及輸油管路中，用于截斷或調節管路中的介質；焊接式高性能蝶閥用于壓力等級Class≤600（10.0MPa），公稱通徑為DN（100～1000mm），介質為熱水、發電廠循環水、蒸汽，其工作溫度為≤350℃的工業主管路系統、供氣管路及供暖系統上，用于截斷或調節管路中的介質。針對密封圈經常失效，對閥座密封圈結構進行了優化設計，密封結構采用三偏心硬密封結構，閥座與碟板不會出現磨損，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，無論處于低、高溫情況下都能具有良好的密封性能，同時能夠延長結構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裝置產生的力矩，進而能夠使閥板向閥座密封。當流道介質處于正向流動狀態時，介質壓力越高，密封擠壓就越緊；當介質處于逆向狀態時會隨其壓力升高。閥板與閥座間壓力會小于相應的介質壓強，會使密封圈泄漏。由于閥板被固定在密封圈上，當其處于常開狀態下，介質會對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，該結構比較厚重，具有較強的流阻力。受此結構條件的限制，因此該結構設計不適用于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）多層結構，其單層的厚度僅為2～3mm，從而具備彈性性能，但是很多結構也存在一些缺陷。

（1）多層結構很難實現良性貼合。

（2）雖然設計多層結構，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現密封，因此層與層之間容易發生塑性變形和翹曲。

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

（4）由于其設計原理，我們在閥座與閥板之間需要依靠傳動產生的力矩使閥板向閥座進行推壓，當處于逆流介質狀態下，隨壓力增加閥座與閥板間的壓力會小于壓強，此時會出現泄漏的問題。

3 改進

閥體使用優質碳素鋼鍛件，整體式結構消除了外漏顧慮，質量輕、結構緊湊，便于與管道焊接安裝。蝶板與閥座靠機械力不會通過介質壓力來產生，因此無論哪種工作壓力狀態下都可以實現良好的雙向密封性，尤其對于一些低壓狀態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下，仍實現可靠的密封；同時，閥體的熱脹冷縮也不會影響到密封的牢固，更不會造成夾持卡阻現象，是良好的自適應密封結構，能夠自動進行調節，以獲取最佳的位置。同時可以將蝶板設置為u型安裝偏心，當蝶板與密封圈實現有效閉合時，密封圈外壓作用會使密封圈與短軸進行良好接觸。當閥門開啟時，兩者又立即分開了，密封圈恢復成原來的形狀，這樣就防止了磨損，閥門就能經受住幾十萬次的運行。當關閉閥門時，基于偏心的作用下，閥板會壓在閥座上進而使兩者之間不會產生較大摩擦，摩擦系數較低，其摩擦能量消耗越少，進而能夠延長結構的使用壽命。除此之外，安裝新型的密封圈之后會在閥板和閥座之間產生彈力，密封圈向外壓會使得各個密封圈間存在間隙位置，能夠存在一定程度的變化，因此在關閉閥門時，由于受到閉合力的作用，密封圈會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或其他型號的奧氏體不銹鋼，這種結構強度較低，當密封圈處于較薄的情況下，通常一般為2～3mm的范圍內，這種密封圈很容易產生變形，比如塑性變形，進而會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，我們通常可以采用INCOLOY 825冷軋不銹鋼板，用板材落料條狀，兩端堆焊，修磨內圈的焊縫，在對稱卷壓成型，表面及密封區域，能夠利用機械方式完成加工，將其硬度要求控制在36HRC范圍內，屈服強度應當高于860兆帕。可以將硬鉻鍍在閥座密封面上，其硬度在43HRC以上，而兩個密封面會存在一定程度的硬度差，進而使之具有較高彈性性能且很難發生形變。這些措施都有力地保證了較好的長期密封性能。針對密封圈受力不均和彈性不足等缺點，設計了一種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），這樣密封圈與各個邊緣的距離基本相同，減小了閥桿的軸徑向偏心值數據，但起密封作用的地方厚度仍為2～3mm，因此采用u型設計的密封圈具良好的彈性性能，能夠使其周邊產生均勻變形和應力要求，進而實現良好的密封性好果。圖2為三偏心蝶閥。

圖1 U型密封圈

4 性能及試驗

不同偏心結構的蝶閥，其性能也會隨之變化。隨著閥板偏心數的增加，閥板的厚度也會增加，介質流經三偏心蝶閥的阻力也會隨之增大，隨偏心數而增加，密封效果也會發生顯著變化。三偏心高性能蝶閥在使用過程中出現的壓力損失能夠被認為是調節閥使用造成的。當介質經過閥門時，其壓力損失會隨系數增加而增加。然而，對于一些非蝶閥和閥門來說，這種壓力損失是相對較小的，同時蝶閥偏心系數的變化也會從一定程度上影響密封性能，偏心數較大時，在開啟和閉合中所產生的傳動扭距會相應減小，因此扭矩比其他形式來說幾乎可以忽略不計。偏心數變化還會導致溫度、壓力發生顯著的變化，相比其它的蝶閥來說三偏心蝶閥最適壓力和溫度等級是占優勢的。總而言之，我們分析三偏心高性能蝶閥具有以下特點：切斷三偏心金屬密封蝶閥能夠利用扭轉力矩切斷閥門，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。當介質中帶有一些雜物和其他固體顆粒物時并不會對三偏心金屬密封蝶閥性能產生影響。由于當關閉閥門時流速較高，而這些雜物不會在閥座中進行沉淀。按照GB/T 13927-2008《工業閥門 壓力試驗》標準的泄漏量要求，對試制的DN250 PN5.0MPa的新結構三偏心金屬密封蝶閥進行了泄漏量檢測（表1）。測試結果：密封結構改進后的三偏心蝶閥可以承受5.5MPa的密封試驗壓力，且泄漏量為0滴/min，達到了設計要求。依據JB/T 8863-2004《蝶閥 靜壓壽命試驗規程》標準要求，對蝶閥進行了動作壽命試驗，在5.0MPa壓差下開啟閥門，在內腔5.0MPa壓力下關閉閥門，循環操作5000次；閥門能正常操作、無卡阻現象，零件應無明顯損壞，測試后進行閥門的液體密封試驗，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 測試結果

5 結語

總而言之，利用u型設計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力。在任何壓力下都可以實現良好的密封性，因此可運用于含有其他固體顆粒的雜質中，延長結構使用壽命。