多层次金属密封蝶阀设计

一、绪言

碟阀（Butterfly bamper）是一种历史悠久的阀门，其结构简单、体积小、重量轻、结构长度小。由于介质作用在转轴两侧面积上的力矩可以互相平衡，所以碟阀的驱动力矩小，易于实现快速启闭，且具有良好的流量调节特性。碟阀既可用作切断阀，也可用作调节阀。近年来，随着结构和密封材料的改进，其密封性能也大大提高。由于以上种种优点，碟阀在工业上得到了越来越广泛的应用。

蝶阀具有结构紧凑、体积小、重量轻（与相同压力，相同通径的闸阀相比可减轻40%～50%）流体阻力小、启闭迅速等一系列优点。但我国一些低温装置如天燃液化设备、空气分离设备以及变压吸附设备等化工行业所采用的阀门有80%以上是截止阀或闸阀，采用蝶阀的数量很少。分析其原因主要是金属密封蝶阀在低温状况下密封性能不良，以及其它一些因结构不合理等原因造成介质内漏和外漏，严重的影响这些低温设备的安全和正常运行，不能满足低温设备的要求。

根据我国低温装置的不断发展，对低温阀门的要求日益增大，为适应市场经济发展的需要，对金属密封蝶阀进行结构上的改进，研制出一种三偏心纯金属高密封性能的蝶阀。（如图1所示）

图1 三偏心蝶阀

设计要求：

设计一台满足下列条件的阀门：

1. 结构形式：多层次蝶阀

2.工作温度：-29～260℃；

3.适用介质：水、油、混合气体；

4.公称压力：300bL；

5.公称通径：8“；

6.连接形式：法兰连接；

7.驱动形式：电动；

8.制造技术要求按ASME B16.34-1996的规定；

9.法兰连接尺寸按ASME B16.5a-1992的规定；

10.结构长度尺寸按API 609-1997的规定。

二、蝶阀概述和用途

金属硬密封三偏心蝶阀是一种高性能蝶阀产品。其主要特点是双向密封零泄漏，启闭力矩小，使用寿命长。这种阀门的安装、操作、维护十分方便，为最大限度满足工况需求，阀门的驱动装置可进行多种配置：电动、气动、蜗轮传动等，如今该系列产品已被石油、化工、电厂、炼厂、城市供热管网以及给排水系统等行业管路系统中作启闭和调节装置而广泛使用。

本产品主体材料采用WCB、CF8、CF8M等；阀座密封面堆焊司太力硬质合金或不锈钢制造，蝶板密封面为不锈钢/石墨（或橡胶石棉板）层压结构，用于工作温度350～650℃以下工况，介质为水、气体、蒸汽、油品、酸碱以及含颗粒性流体等。

三、蝶阀在发展过程中形成的分类

1、同心蝶阀

该种蝶阀的结构特征为阀杆轴心、蝶板中心、本体中心在同一位置上。结构简单、制造方便。常见的衬胶蝶阀即属于此类。缺点是由于蝶板与阀座始终处于挤压、刮擦状态、阻距大、磨损快。为克服挤压、刮擦、保证密封性能、阀座基本上采用橡胶或聚四氟乙烯等弹性材料、但也因而在使用上受到温度的限制、这就是为什么传统上人们认为蝶阀不耐高温的原因。

2、单偏心蝶阀

为解决同心蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题、由此产生了单偏心蝶阀、其结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板中心、从而使蝶板上下端不再成为回转轴心、分散、减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压。但由于单偏心构造在阀门的整个开关过程中蝶板与阀座的刮擦现象并未消失、在应用范围上和同心蝶阀大同小异、故采用不多。

3、双偏心蝶阀

在单偏心蝶阀的基础上进一步改良成型的就是目前应用最广泛的双偏心蝶阀。其结构特征为在阀杆轴心既偏离蝶板中心、也偏离本体中心。双偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅即脱离阀座、大幅度地消除了蝶板与阀座的不必要的过度挤压、刮擦现象、减轻了开启阻距、降低了磨损、提高了阀座寿命。刮擦的大幅度降低、同时还使得双偏心蝶阀也可以采用金属阀座、提高了蝶阀在高温领域的应用。但因为其密封原理属位置密封构造、即蝶板与阀座的密封面为线接触、通过蝶板挤压阀座所造成的弹性变形产生密封效果、故对关闭位置要求很高（特别是金属阀座）、承压能力低、这就是为什么传统上人们认为蝶阀不耐高压、泄漏量大的原因。

4、三偏心蝶阀

要耐高温、必须使用硬密封、但泄漏量大；要零泄漏、必须使用软密封、却不耐高温。为克服双偏心蝶阀这一矛盾、又对蝶阀进行了第三次偏心。其结构特征为在双偏心的阀杆轴心位置偏心的同时、使蝶板密封面的圆锥型轴线偏斜于本体圆柱轴线、也就是说、经过第三次偏心后、蝶板的密封断面不再是真圆、而是椭圆、其密封面形状也因此而不对称、一边倾斜于本体中心线、另一边则平行于本体中心线。

这第三次偏心的最大特点就是从根本上改变了密封构造、不再是位置密封、而是扭力密封、即不是依靠阀座的弹性变形、而是完全依靠阀座的接触面压来达到密封效果、因此一举解决了金属阀座零泄漏这一难题、并因接触面压与介质压力是成正比的、耐高压高温也迎刃而解。

四、蝶阀的现状和发展趋势

三偏心金属硬密封蝶阀高寿命密封好，目前,蝶阀作为一种用来实现管路系统通断及流量控制的部件,已在石油、化工、冶金、水电等许多领域中得到极为广泛地应用。在已公知的蝶阀技术中，其密封形式多采用密封结构，密封材料为橡胶、聚四氟乙烯等。由于结构特征的限制，不适应耐高温、高压及耐腐蚀、抗磨损等行业。

现有一种比较先进的蝶阀是三偏心金属硬密封蝶阀，阀体和阀座为连体构件，阀座密封

表面层堆焊耐温、耐蚀合金材料。多层软叠式密封圈固定在阀板上，这种蝶阀与传统蝶阀相比具有耐高温，操作轻便，启闭无磨擦，关闭时随着传动机构的力矩增大来补偿密封，提高了蝶阀的密封性能及延长使用寿命的优点。但是，这种蝶阀在使用过程中仍然存在以下问题。

1、由于多层软硬叠式密封圈固定在阀板上，当阀板常开状态时介质对其密封面形成正面冲刷，金属片夹层中的软密封带受冲刷后，直接影响密封性能。

2、受结构条件的限制该结构不适应做通径DN200以下阀门，原因是阀板整体结构太厚，流阻大。

3、因三偏心结构的原理，阀板的密封面与阀座之间的密封是靠传动装置的力矩使阀板压向阀座。正流状态时，介质压力越高密封挤压越紧。当流道介质逆流时随着介质压力的增大阀板与阀座之间的单位正压力小于介质压强时，密封开始泄漏。

高性能三偏心双向硬密封蝶阀，其特征在于：所述阀座密封圈由软性T形密封环两侧多层不锈钢片组成。阀板与阀座的密封面为斜圆锥结构，在阀板斜圆锥表面堆焊耐温、耐蚀合金材料；固定在调节环压板之间的弹簧与压板上调节螺栓装配一起的结构。这种结构有效地补偿了轴套与阀体之间的公差带及阀杆在介质压力下的弹性变形，解决了阀门在双向互换的介质输送过程中存在的密封问题。

采用软性T型两侧多层不锈钢片组成密封圈，具有金属硬密封和软密封的双重优点，无论在低温和高温情况下，均具有零渗漏的密封性能。

当逆流状态时，阀板与阀座之间的密封靠驱动装置的力矩使阀板压向阀座。随着反向介质压力的增大，阀板与阀座之间的单位正压力小于介质压强时，调节环的弹簧在受载后所储存的变形能补偿阀板与阀座密封面的紧压力起到自动补偿作用。因此本实用新型不像现有的技术那样，在阀板上安装软硬多层密封圈，而是直接安装在阀体上，在压板和阀座中间增设调节环是十分理想的双向硬密封方式。它将可取代闸阀、截止阀及球形阀

五、密封结构分析

（一）低温阀门产生泄漏的原因主要有两种情况，一是内漏；二是外漏。

1、阀门产生内漏主要原因是密封副在低温状态下产生变形所致。当介质温度下降到使材料产生相变时造成体积变化，使原本研磨精度很高的密封面产生翘曲变形而造成低温密封不良。我们曾对DN250阀门进行低温试验，介质为液氮(-196℃)蝶板材料为1Cr18Ni9Ti(没经过低温处理)发现密封面翘曲变形量达0.12mm左右，这是造成内漏的主要原因。

新研制的蝶阀由平面密封改为锥面密封。阀座是一个斜圆锥椭圆密封面，与嵌装在蝶板