蝶閥設計時要考慮的因素

竇向貞

摘 要：蝶閥的名稱來源于翼狀結(jié)構(gòu)的蝶板，在閥體的圓柱形通道內(nèi)，蝶板繞著其自身軸線旋轉(zhuǎn)，即可啟、閉閥門。蝶閥在管道內(nèi)主要作切斷或調(diào)節(jié)用。長期以來，在蝶閥設計中一般采用查設計手冊或經(jīng)驗設計方法，設計工作在精度、可靠性等方面有一定的局限性。

關(guān)鍵詞：蝶閥;設計;因素

隨著全球性的節(jié)能、環(huán)保意識的提高，大型項目工藝系統(tǒng)正在不斷向高參數(shù)化發(fā)展，從而對閥門的工藝參數(shù)也提出了更高、更苛刻的要求，為了適應高壓、高溫、低溫和多相流等工況下的功能要求，蝶閥的結(jié)構(gòu)也在不斷更新?lián)Q代，高性能的特種蝶閥層出不窮，但萬變不離其中，只有明確工藝系統(tǒng)對閥門的功能要求，明確工況的各項參數(shù)，就能設計出滿足功能要求，性能可靠的蝶閥產(chǎn)品。

一、蝶閥的地位和作用

蝶閥作為流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有導流、截流、調(diào)節(jié)、節(jié)流、防止倒流、分流或溢流泄壓等功能，在以下行業(yè)和領域有大量的需求如在石油、天然氣、煤炭、冶金、和礦石的開采、提煉加工和管道輸送系統(tǒng)中在水電、火電和核電的電力生產(chǎn)系統(tǒng)中在城建的給排水、供熱和供氣系統(tǒng)中在冶金生產(chǎn)系統(tǒng)中在船舶、車輛、航天以及各種運動機械的使用流體系統(tǒng)中在國防生產(chǎn)以及新技術(shù)領域里在農(nóng)業(yè)排灌系統(tǒng)中都有大量的需求。蝶閥行業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中，作為裝備制造業(yè)的一個重要環(huán)節(jié)，起到非常重要的作用。蝶閥在機械產(chǎn)品中占有相當大的比重，據(jù)國外工業(yè)發(fā)達國家統(tǒng)計，蝶閥的產(chǎn)值是壓縮機、風機和泵三者的總和，約占整個機械工業(yè)產(chǎn)值的。同時，作為重大技術(shù)裝備的重要組成部分，尤其是在電力、石化、冶金、城市供排水系統(tǒng)中，蝶閥更是起著關(guān)鍵作用，而且用量非常大。因此，蝶閥行業(yè)對于國民經(jīng)濟的發(fā)展，對于國家工業(yè)的發(fā)展進步具有非常重要的意義。

二、蝶閥設計時要考慮的因素

1、蝶閥功能。設計時要明確蝶閥是用作接通或截斷管路中的介質(zhì)，還是調(diào)節(jié)、控制管路中介質(zhì)的流量和壓力。不同功能的閥門其密封副設計時考慮的因素有所不同，若閥門是用作接通或截斷管路中的介質(zhì)，則著重考慮閥門的截斷能力，即閥門的密封性能，在確保所選材料必須耐腐蝕的前提下，低、中壓及常溫閥門常采用軟密封的結(jié)構(gòu)形式，中、高溫及高壓閥門則選用硬密封的結(jié)構(gòu)形式;若閥門是用作調(diào)節(jié)、控制管路中介質(zhì)的流量和壓力時，則著重考慮閥門的固有調(diào)節(jié)特性及調(diào)節(jié)比。

2、工藝條件。設計前首先要充分了解閥門所在工藝系統(tǒng)的工藝條件，包括：介質(zhì)類型（氣、液、固相及雙相或多相混合等）、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力、介質(zhì)流速（或流量）、動力源及其參數(shù)等。

（1）介質(zhì)類型 蝶閥結(jié)構(gòu)形式通常是根據(jù)一種主要的介質(zhì)進行設計，但也必須考慮到次要的介質(zhì)，例如用來清洗、試驗和吹掃等介質(zhì)，介質(zhì)的黏附及沉積等均對閥門結(jié)構(gòu)設計有影響;同時更要關(guān)注介質(zhì)的腐蝕性對結(jié)構(gòu)及材料的影響。

（2）介質(zhì)溫度 可能引起的問題有：①不同的熱膨脹：溫度梯度或膨脹系數(shù)不同會引起閥門密封副的膨脹不均勻，從而導致閥門啟閉時的卡死或泄漏。②材料性能的變化：設計時要考慮材料在高溫下許用應力的降低，另外由于在很高溫度下膨脹的零件可能產(chǎn)生局部屈服，所以熱循環(huán)有時也會引起尺寸的變化。③熱應力和熱沖擊。

（3）介質(zhì)壓力 主要影響蝶閥承壓件的強度和剛度設計，及密封副的必需比壓和許用比壓的設計。

（4）介質(zhì)流速 主要影響蝶閥通道及密封副表面的耐沖蝕性能，特別是氣固、液固兩相流的介質(zhì)，更要謹慎考慮。

（5）動力源 其參數(shù)直接影響蝶閥的連接接口設計及啟閉時間和驅(qū)動靈敏性、可靠性。電源的電壓和電流強度的變化對閥門的影響不很大，主要是氣源和液壓源的壓力和流量將直接影響到蝶閥的功能的實現(xiàn)。

3.強度與剛度的考慮。蝶閥在設計時除按《閥門設計手冊》提供的靜態(tài)設計計算外，還要考慮因介質(zhì)壓力、流速等產(chǎn)生的動態(tài)載荷，特別是中高壓管系中蝶閥關(guān)閉時產(chǎn)生的水錘能量，還要考慮環(huán)境影響的附加載荷以及管道、支座等引起的附加載荷。

4.壓力損失和流通能力。壓力損失和流通能力本質(zhì)上是同一參數(shù)，壓力損失是流體阻力的量度，是閥門進口壓力與出口壓力之差值，在給定流量下，其大小主要取決于蝶閥的結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)件的造形及表面粗糙度設計，通常用流阻系數(shù)來表示。流通能力與閥門在給定壓力差時流過的最大流量有關(guān)，通常用流量系數(shù)來表示。流阻系數(shù)與流量系數(shù)的關(guān)系式為：

通常在設計時要考慮盡量使閥門的壓力損失最小和流通能力最大，一般采取的措施有：①閥體通道不縮徑，通道中應無任何凸出部分，蝶板造形圓滑過渡。②盡可能減小介質(zhì)過流部位的表面粗糙度值。③整個通道橫截面盡量保持不變或采取平緩過渡結(jié)構(gòu)。

5、驅(qū)動力矩。蝶閥的驅(qū)動方式根據(jù)用戶需要可以是電動、氣動、液動、電液動以及氣液動等，驅(qū)動裝置的輸出轉(zhuǎn)矩取決于蝶閥所需的輸入轉(zhuǎn)矩，蝶閥的輸入轉(zhuǎn)矩又受結(jié)構(gòu)形式、密封程度、介質(zhì)種類（水、油、氣和粉體）、介質(zhì)壓力、工作頻度（低頻度、高頻度）以及控制方式（純開閉型、調(diào)節(jié)型）等因素的影響。蝶閥的結(jié)構(gòu)形式、密封程度不同，其輸入轉(zhuǎn)矩的計算公式也不同（詳見《閥門設計手冊》）;使用條件的不同，所選擇驅(qū)動裝置輸出轉(zhuǎn)矩的安全系數(shù)就不同。

6、介質(zhì)敏感性。蝶閥適用于輸送水、油、氣體、水固兩相以及氣固兩相流等多種介質(zhì)的管路系統(tǒng)作開關(guān)或調(diào)節(jié)裝置用，因而蝶閥密封副對介質(zhì)的敏感性也是設計時需考慮的重要因素之一，設計時主要從材料選擇和結(jié)構(gòu)形式上來考慮。例如對介質(zhì)中含塵量較高的切斷蝶閥，則要選用彈性好的橡膠材料作密封圈，或采用具有自清理結(jié)構(gòu)的多層次金屬硬密封圈，在密封副相對運動的同時靠密封副本身能清除微粒等污物，或采用吹掃、清洗功能來減輕粉塵對密封副的污染。

蝶閥作為廣泛使用的管道控制設備，它的可靠性、節(jié)能性、制造和運行成本對于國民經(jīng)濟具有重要的意義。在蝶閥設計中，關(guān)于如何降低蝶閥的流阻、蝶閥流阻的測算、蝶閥水力矩的計算、蝶閥各個開度的非均布載荷情況和強度分析、密封副的分析和計算等一直是設計中的難點。傳統(tǒng)設計中一般采用試驗分析和查閱設計手冊的方法，這不僅耗時較長，而且加大了設計制造成本。

參考文獻

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