高性能蝶阀密封结构的设计

作者简介 :黄作兴 (1978 - ) ,男 ,高级工程师 ,从事阀门研发和企业管理 。
— 14 — 阀 门 2009年第 4期
将反向变形 , 压向蝶板密封圈形成密封比压阻止介 质泄漏 。
护板用螺钉应采用应变硬化不锈钢螺钉材料 , 并根据相关标准 (如 A S TM A 193 ) 的规定使用 。 另外 , 护板紧定螺钉应凹进或低于护板表面 。 214 阀门扭矩
表 2 高性能蝶阀扭矩对比表
阀门通径 (N PS )
扭矩计算值 , N·mm 实测值 (最大 /最小 ) ①, N·mm
实际控制扭矩值 ①, N·mm 国外产品扭矩给定值 ②, N·mm
21 /2 50 27 /45 40 33 /50
3 60 36 /63 50 39 /60
4 75 50 /99 80 58 /100
5 115 50 /96 115 86 /140
6 170 90 /142 150 126 /185
8 285 180 /320 295 217 /350
10 420 350 /530 480 318 /650
12 620 420 /560 825 475 /1260
注 : ①江南阀门有限公司产品数据 。 ②国外某公司产品 (样本 ) 。
常温时螺钉的计算载荷 QL Z取 (Q yj + XQ g ) 与 (QD F +Q g ) 两者中的较大值 。 式中 Q yj ———无介质时 , 紧密连接所需的预紧力
Q g ———螺栓的工作载荷 , N QD F ———有介质时 , 垫片上的密封力 , N X———螺栓的外载荷系数 ( X = 012～013)
ANSI B16141的扩展原则为 ①样机压力等级的 扩展原则 90% ～200%。 ②样机口径的扩展原则 50% ～200%。ASM E QM E - 1 的扩展原则按 QVC
- 7420如下的尺寸区间 ,从每一个定义的区间的中 间位置各选一台阀门进行试验 ,或者从较低定义区 间的邻近中间位置选择一台阀门 、从较高定义区间 的邻近上端位置选择一台阀门进行试验 ,即 DN100 及以下 , DN125～500, DN500以上 。
The design of h igh performance butterfly va lve
HUAN G Zuo2x ing
( J iangnan V a lve C o1, L td1Zhejiang W enzhou 325013, C h ina)
Abstract: In troduced the m a tte rs need p ay a tten tion to w hen design ing the h igh p e rfo rm ance bu tte rf ly va lve. Key words: h igh p e rfo rm ance; bu tte rf ly va lve; sea l; design
ASM E QM E - 1取消了 ANSI B16141 关于压力 的扩展原则 ,但要求以最不利条件进行样机的选择 和试验 。
扩展原则必须符合 QVC - 7220的设计相似性 。 满足 QVC - 722011要求的前提下 , ASM E QM E
- 1允许材料的扩展 。
9 结语
按 ASM E QM E - 1 2002 版进行核电阀门的鉴 定试验时的试验项目 、顺序 ,并根据目前国内核电阀 门鉴定的实际要求 ,结合国内厂家进行型式试验的 特点 ,调整了部分试验顺序 ,增加和补充了如模拟工 况下的动作寿命试验 、热冲击试验 、流量试验等试验 项目 ,提出了止回阀寿命试验的实施方案 ,提出了诸 如振动试验实施界线 、应用于阀门中的非金属材料 的鉴定试验方案 、较大口径阀门的流体阻断试验的 行程和非能动阀门的鉴定方案等建议 。
作 ,即使在设计时采用其他的设计准则进行评估 ,如 在 D 级工况下采用 A 级准则 、或 B 级准则 。因此 , 对于非能动阀门 , 只要在设计上满足核电规范如 ASM E III或 RCC - M 的要求 ,即可认为在所有工况 下都能确保压力边界的完整 ,而不必进行样机试验 鉴定 。
8 覆盖原则
3 防火 、防静电 、防射出结构
随着蝶阀在控制工艺过程中的使用 ,对处理碳 氢化合物以及石油 、石油化工 、化学工业中易燃介质 的高性能蝶阀提出了防火及防静电的要求 ,另外在 很多场合也提出了当管道异常升压时阀杆防射出的 要求 。 防火型的高性能蝶阀用在要求发生火情环境下 仍能可靠密封的场合 。正常工作时 ,弹性阀座与蝶 板接触并保持密封 。当发生火情时 ,一旦四氟密封 圈被烧毁或软化 ,金属层在介质压力作用下推向蝶 板仍能起到密封作用 。待灾情解除后再予修复或更 换 。着火时 ,允许阀座 、阀盖或阀杆有少量的泄漏 。
R PTFE
- 29～38 1197 1197
5110 5110
10120
66
1188 1188
4188 4188
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93
1179 1179
3197 4165
6121
121
1169 1169
2193 3165
4183
149
1159 1159
2107 2169
3179
177
0197 1148
1121 1172
bM ———密封面接触宽度 , mm fM ———密封面间摩擦系数 h———阀杆与蝶板中心的偏心距 , mm
M c ———阀杆轴承摩擦力矩 , N·mm
213 护板的紧固 对于高性能蝶阀 , 护板及护板螺钉应设计成当
两端法兰被移走时足以承受最大压差力额定值 。护 板螺钉的载荷校核按如下规定 。因密封圈选用聚四 氟乙烯材质 , 使用温度不超过 200℃, 对螺钉的载 荷只需按常温工况进行校核即可 。
参考文献
〔1〕 ASME QME - 1: 2002,核电厂能动机械设备的鉴定 〔S〕. 〔2〕 ASME第 III卷 2004 , BPVC规范〔S〕. 〔3〕 RCC - M 2000 (R2002) ,压水堆核岛机械设备设计和建造规则
〔S〕. 〔4〕 〔美 〕J. L. 莱昂斯. 阀门技术手册 〔M 〕. 北京 : 机械工业出版
这类现象的发生 ,应严格执行聚四氟材质的压力 温度额定值 (表 1) ,或采用具有填充材料的聚四氟 乙烯材质 。
表 1 PTFE或 RPTFE阀座最小压力 - 温度额定值 M Pa
150磅级 ( 2M Pa) 300磅级 ( 5M Pa) 600磅级 ( 11M Pa) 温度 ( ℃)
PTFE RPTFE PTFE RPTFE
2 设计要点
211 密封圈材质 聚四氟乙烯材质具有适用温度范围广 、耐腐蚀
性能优异 、摩擦系数小和塑性好等优点 ,是高性能蝶 阀密封圈常使用的材质 。但相对来说其材质机械强 度低 、耐磨性差 、刚度差和导热性差等缺点一般也会 加以考虑 , 不过聚四氟乙烯材质在载荷作用下的 “冷流倾向 ”往往会被忽视 。高性能蝶阀在现场使 用一段时间后 ,由于“冷流倾向 ”从而导致密封圈的 永久变形 (类似于塑性材料的屈服现象 ) 。为防止
外 , 阀门最大和最小扭矩差值较大 , 分析其主要原 粗糙度 。为保证阀杆的密封要求 , 阀杆与填料接触
因是阀杆 、密封圈或蝶板加工精度及光洁度不够 、 阀杆与阀体通孔同轴度低或填料压盖的螺栓预紧力 不相均衡 。经实践证明 , 可采用改进阀门加工工艺 和提高零件精度等措施 , 保证阀门具有相应统一的 阀门扭矩 。 ①严格控制阀杆及填料函的加工精度及
M c = Q c fc dF /2 Q c ———作用在阀杆轴承上的载荷 , N fc ———轴承摩擦系数 dF ———阀杆直径 , mm M T ———密封填料的摩擦力矩 , N·mm M T = Q T·dF /2 Q T ———阀杆与填料的摩擦力 , N
Q T = <dF bT < ———系数 bT ———填料深度 , mm p ———计算压力 , M Pa 受加工工艺及材质选用等因素的影响 , 阀杆实 际扭矩与计算扭矩口径小于 N PS 12 时略有差别 , 口径大于等于 N PS 12时扭矩差别较大 (表 2) 。另
面积的表面粗糙度 Ra 值为 018μm , 填料函表面粗 糙度 Ra 值为 312μm 或更光滑〔1〕。对于阀杆及填料 函表面光洁度的问题 , 现在国内很多企业都没有足 够的认识和重视 。阀杆及填料函表面光洁度不够 ,
(下转第 20页 )
— 20 — 阀 门 2009年第 4期
社 , 1991. 〔5〕 杨源泉. 阀门设计手册 〔M 〕. 北京 :机械工业出版社 , 1992.
(收稿日期 : 2009103108)
(上接第 14页 )
容易导致填料的磨损 ,填料的磨损又会使阀杆在动 作过程中表面光洁度降低 ,形成恶性循环 。长此以 往 ,不仅增大了填料与阀杆间的摩擦力 ,而且容易导 致介质从填料处发生外漏 。 ②严格控制密封圈和蝶 板的加工精度及光洁度 。 ③为保证阀体与阀杆配合 面的同轴度 ,阀体上下通孔应一刀加工 。 改进后 ,阀门最大最小扭矩波动变小 ,一般可以 控制在 10%左右 。
1 概述
高性能蝶阀 (H igh Perform ance B utterfly Valve HPB FV )是 20世纪 60年代中期随着聚四氟乙烯作 为阀座材料在蝶阀中的使用而产生的 ,并被列入美 国石油协会标准 (AP I 609 双法兰式 、凸耳式和对夹 式蝶阀 ) 。高性能蝶阀一般为双偏心 、球面密封结 构 ,阀座采用 PTFE /RPTFE (聚四氟乙烯 /增强聚四 氟乙烯 )材质 ,较橡胶密封蝶阀具有摩擦系数小 、扭 矩小 、寿命长 、可在管路终端安装使用等优点 ,可以 用于工作压力 600 lb ( 11M Pa) ,温度 230℃,具有腐 蚀性介质的管路上 ,实现阀门的双向密封和切断介 质或调节流量 ,用途十分广泛 。
2009年第 4期 阀 门 — 1 3 —
文章编号 : 100225855 (2009) 0420013202
高性能蝶阀密封结构的设计
黄作兴 (江南阀门有限公司 ,浙江 温州 325013)
摘要 介绍了高性能蝶阀设计时需要注意的一些事项 。 关键词 高性能 ; 蝶阀 ; 密封 ; 设计 中图分类号 : TH134 文献标识码 : A
设计符合 AP I 607、AP I 6FA 耐火试验的规定 。 当用户提出防静电要求时 ,阀门应设计静电连
通结构 。蝶板与阀杆之间以及阀杆与阀体之间形成 静电通道 。这样 ,因摩擦而产生的静电便通过阀杆 传到阀体 ,从而通过管道与地接触 ,消除静电积累。
按照 AP I 609中对高性能蝶阀提出了阀杆需设 置防射出机构的要求 ,当阀杆同蝶板连接处或阀杆 内部出现损坏时 ,由于内压作用 ,阀杆任何部分不致 从阀门射出 。此设计不应依赖于驱动装置 (如齿轮 箱 、驱动器 、把手等 )限制阀杆射出 。
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212 密封圈结构 高性能蝶阀的密封圈应设计成使介质压力有利
于密封的结构 。当无压力时 , 阀杆传递过来的扭矩 使蝶板与密封圈间产生足够的密封比压 , 使阀门密 封 。当受到管道中正向介质压力 (图 1) 时 , 能借 助管路中的介质压力使密封圈紧紧压在蝶板密封面 上 , 使密 封 性 能 更 加 可 靠 。当 介 质 反 向 流 动 时 (图 2) , 介质压力作用在密封圈的另一侧 , 密封圈
扭矩小是高性能蝶阀的一大特点 , 高性能蝶阀 阀杆扭矩可由近似计算得出 。
MD =MM +M C +M T 式中 MD ———蝶阀阀杆扭矩 , N·mm
MM ———密封面间摩擦力矩 , N·mm
MM = 4qM RbM fM h2 + R2 qM ———密封面必须比压 , M Pa R———蝶板半径 , mm