工業用耐高溫三偏心硬密封蝶閥密封結構改進設計

廖建山,吳云薦,陳勝成

(1.中正科技閥門有限公司,浙江 溫州 325105;2.永嘉寶正閥門有限公司,浙江 溫州 325105;3.南方閥門科技有限公司,浙江 溫州 325105)

0 引言

蝶閥是工業系統中常用的閥門類型之一，尤其在建筑暖通、水利水電行業中更是得到了廣泛的應用。其具有結構簡單、占用空間小、性能可靠、操作便捷和經濟實用等特點，深受用戶喜愛。經過多年的演變，蝶閥已發展成為具有多種結構的成熟閥門產品之一。

耐高溫三偏心硬密封蝶閥(以下簡稱蝶閥)滿足蒸汽、高溫熔鹽、高溫導熱油等高溫工況的使用需求，具有優異的耐高溫性能。蝶閥采用三偏心設計，具有較寬密封面，耐高壓能力強，同時還可以在閥門開啟的瞬間實現密封面之間的脫離，避免了密封面之間的磨損。其優異的使用性能得到了眾多用戶的認可，但是已有的蝶閥結構也有不足之處，其密封結構只能承受來自正向流向的介質壓力，不能承受反向流向的介質壓力，特別是當閥門公稱口徑≥600 mm時，閥門反向完全不能承受壓力(打壓時由于泄漏上不了壓力)。

在很多工程項目的技術條款中會規定閥門應具有防止介質倒流的能力，即閥門可以正向承壓，也可以在介質流向發生改變時承受反向壓力。但目前已有的蝶閥密封結構并不能滿足這種要求，在工作中發生介質倒流可能會對上游設備造成破壞導致經濟損失，留下安全隱患。

為避免潛在的風險，以及提高蝶閥的密封性能，本文對蝶閥密封結構進行了改進設計，改進后的結構可保證閥門正、反向的可靠密封性，解決了以往蝶閥反向不能密封的問題，還具有簡化蝶閥加工工藝、裝配工藝的優點，提高了產品的經濟性。

1 改進前蝶閥的密封結構及結構弊端

1.1 蝶閥的密封結構

圖1為改進前蝶閥的密封結構，閥座圈與閥體為一體結構，在閥座圈密封處堆焊或噴涂硬質合金作為密封面；閥座圈不可移動，其通過閥門關閉時蝶板的扭矩強制使密封圈密封面貼合閥座圈密封面形成密封，當受到介質反向壓力時密封性很差。

圖1 改進前蝶閥的密封結構

1.2 蝶閥密封結構的弊端

(1)介質力對密封的影響較大。當閥門承壓時，蝶板受介質力影響會產生微量變形，當閥門反向承壓時，該微量變形使蝶板上的密封面與閥座上的密封面具有脫離的趨勢；而當閥門正向承壓時，蝶板的微量變形會促使密封圈靠緊閥座圈，閥門密封副具有配合更緊密的趨勢。因此，會出現閥門正向承壓密封良好，反向承壓蝶板變形出現泄漏的情況。

蝶板形狀不規則，受介質力后會產生應變不均勻的情況，導致蝶板邊緣密封面變形量不均勻。圖2為蝶閥結構示意圖，可以看出，與閥桿軸線垂直的蝶板部位密封面變形量較大，蝶板軸孔軸線方向的兩端密封面變形量較小。蝶板變形量的不同會導致閥門關閉后實際密封副接觸部位不完整，變形量較小的部位有可能無接觸。該結構在執行器扭矩選用偏小時會出現閥門正、反向都關閉不嚴密的情況。

圖2 蝶閥結構示意圖

(2)閥桿與軸套之間的配合間隙過大。為了保證蝶板軸孔與閥體軸孔的同軸度和位置度，三偏心蝶閥閥體和蝶板上的軸孔加工采用蝶板、密封圈組裝后壓入閥體，使閥門密封副壓緊后再配鏜軸孔。因整個軸孔較長，雖采用配鏜工藝，一定程度上保證了形位公差，但是在加工時軸孔的線性尺寸還是要給一定的正公差，也就是閥桿穿入軸孔時具有一定的間隙，以保證閥桿的順利裝配。裝配間隙的誤差大小，決定了閥門密封承壓時閥桿的穩定性，間隙較大時閥桿偏移量大，此時密封副會出現脫離的情況，導致閥門泄漏。

(3)閥門的第二偏心對反向密封性能的影響。三偏心蝶閥的第二偏心(見圖2)為閥桿旋轉中心偏移閥體軸線中心，此偏心用于減少蝶板與閥座間開啟的摩擦力。但是由于閥桿旋轉軸不在密封副中心軸線上，因此在閥門啟閉的過程中會形成一個偏置扭矩。根據閥門啟閉件逆時針旋轉打開、順時針旋轉關閉的條件，那么此偏置扭矩在閥門承受正向壓力時，閥門容易關閉難打開；在閥門承受反向壓力時，閥門容易打開難關閉。

2 蝶閥密封結構的改進及密封原理

2.1 蝶閥密封結構的改進

圖3為改進后的蝶閥密封結構，由閥座圈、彈簧、壓環、三開環、緊定螺釘、編織石墨等組成。閥座為可移動結構，在閥座的上部裝填編織石墨，由彈簧提供預緊力，形成初始密封壓力，其后部裝配三開環，通過螺釘固定在閥體上，并通過螺釘壓緊壓圈與彈簧。

圖3 改進后蝶閥的密封結構

2.2 蝶閥的密封原理

改進后的閥座圈為可活動結構，在閥門承受介質正向作用力時，由于閥座圈后部被緊定螺釘頂緊，可防止閥座圈移動，保證了密封。在閥門承受介質反向作用力時，閥座圈也承受介質推力，使閥座圈具有貼緊密封圈的移動趨勢。如果在閥門試壓時出現泄漏，還可以通過調整三開環上的緊定螺釘進一步鎖緊，推動可移動閥座圈靠向密封圈，使密封更為緊密。

2.3 改進后的閥座解決原閥座存在問題的措施

改進后的可移動閥座圈結構可有效補償蝶板微量變形和閥桿與軸套配合的間隙值，并且可通過緊定螺釘調整補償量的大小，以防止補償量不夠閥門依然泄漏，或補償量過大導致的閥門扭矩過大。

增大壓圈的厚度，減小密封圈周圍的應變，從而減少密封圈變形不均勻的問題，使變形不均控制在一個合理范圍內，使閥門在增大密封扭矩時依然能夠保證密封性。

關于閥門第二偏心值導致的偏置扭矩，可在設計時適量減小第二偏心值，以有效降低蝶板偏置扭矩，使閥門反向承壓更容易密封。

3 蝶閥密封結構改進后的密封效果

經實際高壓密封試驗，結果表明：公稱口徑≤1 200 mm、公稱壓力≤25 MPa的蝶閥可以實現反向1倍常溫壓力額定值(可查詢ASME B16.34或GB/T 12224)下的密封性能，在更大閥門口徑和更高壓力下也可以實現部分壓力反向承壓密封性能。改進后的閥門密封結構更為合理，閥門反向承壓密封性能良好，在實際使用中得到了客戶良好的評價。