三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案

1 三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案概述

    三偏心硬密封蝶阀近几年发展很快，其密封圈从早期的多层结构发展到密封效果更好，使用寿命更长的整体式金属结构。三偏心蝶阀其适用范围已可以耐压高达 2500 磅级,耐温低至 -196 ℃高达 700 ℃,密封达到 0 泄漏,调控比高达 100:1 以上。也就是说在各种严酷、关键的过程控制管线上,不论是开关阀还是调控阀,只要选型得当,现在都可以放心地使用蝶阀,而且成本低廉。三偏心蝶阀的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,因此一举解决了蝶阀金属阀座零泄漏这一难题。

在密封角度设计上解决了介质正、反流向时介质压均可部份作用到密封面上,接触面压加上部份介质压力作用密封面使耐高压高温也迎刃而解。三偏心碟阀自问世以来,为满足日益严酷的工况要求,其本身也经历着自我完善和不断发展的过程。即便*基本的零泄漏,理论上三偏心蝶阀都可以做到,但实际上还是有赖于周密的设计,精密的制造。

三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案其特点如下∶

1、双向密封设计

三偏心金属硬密封蝶阀实现双向密封,能正、反双向承压,正或反向承压时均不发生内漏。

2、双重安全构造

严格按照 API609 的规格要求,为防止因受流体压力、温度的影响而引起的蝶板变形、阀杆错位、密封面咬合、在蝶板上下侧分别装有两个各自独立的止推环,从而保证了阀门在任何工况下的正常工作;

同时,为防止未知原因所引起的阀杆破损飞出而造成的突发事故,在阀门下端内外两处设计了各自独立的阀杆飞出防止机构,这也从侧面保证了蝶阀的压力等级可以做到高达 2500 磅级。

3、无死区设计

在设计过程中,特别考虑了在调控领域中的应用问题,充分利用三偏心蝶阀的密封原理,做到了开启无死区的角度设计,从而杜绝了打开普通阀门时所常见的开度跳跃现象, 了阀门的低开度范围内因磨擦等各种不安定因素所造成的不能调控现象,即 了死区(不感带),这意味着沃德蝶阀几乎可以从 0 开度开始即进入可调控区域,直至 90 开度。其正常调控比是一般蝶阀的 2 倍以上,调控比*可高达 100:1 以上。这为沃德蝶阀作为调控阀使用创造了良好的条件,特别是在大口径时,截止阀的成本,另外截止阀无法实现零泄漏,在需要紧急关断的工况中必须在截止阀的旁侧加装关断阀,而蝶阀集调控与关断于一身,其节能是极其可观的。

4、阀座构造

三偏心蝶阀的阀座安装构造有两种、大多数是不锈钢薄片与石墨薄片层叠而成安装在蝶板上,密封面很容易受到流体的冲蚀,阀座的使用寿命很短。

但沃德蝶阀则采用了全金属合金钢锻造阀座构造。其优点是抗冲刷、耐磨损、耐高温高压,使用寿命长,而这在对双偏心蝶阀或其它三偏心蝶阀来说是不可想像的。

5、可更换式密封副

蝶阀的密封副可谓独树一帜,由于蝶板密封面与蝶板是独立的,阀座与阀体也是独立的,所以蝶板密封面及阀座可以同时更换,也就是说当蝶板密封面或阀座受损时,不必再兴师动众地运回制造厂或大举分解阀门,只需调换蝶板密封面及阀座即可,这不但大大降低了保养成本,还大大减少了维修工时和检修强度与难度。

5、均衡固定结构

从三偏心蝶阀的密封面形状特点出发,蝶阀的密封副固定方式采用了均衡分布固定,不但定位 ,而且还使每个螺栓都均衡受力,杜绝了因应力分布不均而产生的密封副松动,泄漏。

7、本质耐火构造

很多阀门都声称具有耐火构造,但其中部分阀门为了减少泄漏量而采用了软硬双重阀座构造,其实这很危险,因为火灾时软密封阀座的不完全燃烧会使金属支持阀座产生应力,温差变形,从而导致耐火机能失灵,所以目前欧美正在逐渐排除这类名不副实的耐火阀。 因为是零泄漏,所以不需要软密封的介助,属名副其实的本质耐火构造。

2 三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案结构特点

    三偏心蝶阀密封圈一般采用多层结构（，带夹层或不带夹层），其单层厚度仅2~3mm，从而具备了一定的弹性，但这种结构也存在缺陷。

①多层之间不易实现紧密贴合。

②由于硬密封蝶阀需要较大的力矩才能实现气泡级密封，而单层厚度较薄，虽然容易实现密封，但层与层之间容易发生翘曲。

③虽然采用的是多层结构，但真正起密封作用的只有其中一层。因此，针对一些要求苛刻的工况，采用了整体密封圈结构。虽然整体密封圈在一定程度上降低了弹性，但提升了阀门的使用寿命，在循环动作上千次的情况下仍能保持较好的密封性能。

三重偏心蝶阀具有双向无气泡紧密关闭性能。这种几何形状保证阀瓣密封只是在关闭位置时才与阀体阀座接触,因此不会产生摩擦或磨损,并且产生一种扭矩使得弹性密封具有足够的“焊接”性能,确保密封接触的均匀一致性。

三重偏心几何形状

偏心1 阀轴位于阀座轴后面,使得密封能够完全紧密环绕接触整个阀座。

偏心2 阀轴中心线偏离管道和阀门中心线,这就免受阀门开启和关闭的干扰。

偏心3 阀座锥体轴偏离阀轴中心线,这样可以在关闭和开启过程中消除摩擦作用,并且实现环绕整个阀座的均匀一致的压缩密封效果。

3 三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案受力分析

    从密封圈的受力分析可以看出，无论是多层密封圈，还是整体密封圈都存在密封圈周边受力不均和变形不均的问题，从而影响密封性。因为密封圈周边相对支承边伸出的长度不同（类似于悬臂长度不相等），即X1≠X2。另外，阀杆轴线径向偏心B的影响，在阀杆力矩的作用下，密封圈周边的密封力和产生的应力不等，有高压力区和低压力区，导致密封圈周边的变形不一致。这种沿周边不一致的变形，影响了阀门的密封效果。为了使低压力区域产生足够的密封比压，需要更大的力矩才能使阀门密封，但是加大力矩会导致高压力区域的比压超过密封面许用比压，导致阀门的密封性能逐步下降。

4 三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案等强度密封圈设计

   针对三偏心蝶阀密封圈受力不均影响密封性能的情况，以及整体密封圈弹性不足的缺点，设计了一种新的高弹性等强度整体密封圈（图4），使X1=X2，并相应改变蝶板和压板的外形使其与密封圈边缘的距离基本相等，以及尽量减小阀杆轴的径向偏心值B。密封圈与阀座接触起密封作用的厚度仍为2~3mm，这样在保证密封圈具有高弹性的同时，在密封圈周边形成均匀一致的应力和变形量，以达到更好的密封效果。

5 三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案选材及加工

    三偏心硬密封蝶阀的密封圈一般选用304或304L奥氏体不锈钢，钢材强度较低。当密封圈厚度较薄时（等强度密封圈的密封唇厚度一般为2～3mm），容易产生弹性，但也容易产生塑性变形和翘曲，导致密封性能下降。因此，为了使等强度密封圈获得较好的密封性能，选用17-4PH或17-7PH沉淀硬化钢，其时效后硬度为32～36HRC，屈服强度>860MPa，并在阀座密封面上堆焊钴基硬质合金，硬度为38～43HRC，两个密封面之间存在6～10HRC的硬度差，密封圈具有高弹性的同时不容易发生翘曲，这些措施都为获得良好的长期密封性能提供了保证。

   等强度密封圈的结构特殊，要通过机加工均匀的去除X尺寸部分的金属（图5），需要铣床一层一层的加工，获得近似曲面的等强度密封圈，或者通过5轴加工中心进行该曲面的加工。同时，与密封圈接触的类似于悬壁梁长度的零件，如蝶板及压板的外形设计和机加工，也是确保获得等强度密封圈的关键。

三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案产品采用标准

注：阀门连接法兰及对焊端尺寸可根据用户要求设计制造

6 三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案工装设计

    为了保证等强度密封结构的密封性能，设计了保证阀座密封面和蝶板密封面（即密封圈）精度的加工装置，其阀座密封面和蝶板密封面的加工采用了相同的底部斜板，确保两工件的角度一致。并通过采用相同的工装进行磨削加工，以进一步提高密封面的表面精度。

7 三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案密封面加工

    通过专用工装可以保证两个密封面获得完全相同的角度，并获得一定的表面精度。由于密封面是一个锥面体的斜切部分，在车、磨等切削加工回转360°时，大部分行程中刀具空转，没有与工件接触切削金属，只有一小部分行程中刀具与工件接触切削金属，形成了断续的加工过程。工件在脱离切削和渐入切削的瞬间，会受到瞬时的冲击，这些因素导致加工后的曲面存在不可修复的微小尺寸偏差和微小的不规则变形。

    由于密封面是一个锥面体的斜切部分，使得阀座密封面和蝶板密封面不能进行研磨。所以密封面的微小尺寸偏差和微观不平整度只能通过密封圈本身的变形来消除，这需要加大阀杆的力矩。但是在力矩超出限度后，阀门密封性能会降低。正是由于这个原因，三偏心硬密封蝶阀的密封试验中正向试验压力升高到一个临界数值时会导致泄漏（理论上正向压力是帮助阀门密封的，压力越高越容易密封），这个临界压力与密封面的微观不平度及尺寸偏差等有关。经过分析，密封圈毛坯采用了覆盖原斜锥尺寸的结构。这样在进行密封圈的车、磨等加工时，都处于切削加工状态，避免了不连续切削，可以很好地确保密封圈的密封面尺寸精度要求。

    如果阀座密封面在加工过程中也处于连续切削状态，需调整阀体的部分尺寸，但这可能导致阀体质量增加。在整个加宽的阀座密封面范围内堆焊硬质合金，在车削和磨削过程中，虽然在开始和*后有一段还是处于不连续切削，但是在与密封圈相配合的整个有效密封区域内是连续切削。由于机加工过程中采用加宽的密封面毛坯，还需要改进阀体和密封圈的工装，才能保证顺利加工和确保加工精度的要求。在完成车削和磨削后对阀座和密封圈的密封面进行研磨，以消除微观的表面不平度，获得近似于镜面的表面精度，从而保证优良的密封性能。在进一步按图纸尺寸加工，去除此工艺方法导致的多余金属之前，进行密封试验。此工艺方法成本较高，如钴基硬质合金的堆焊用量增加等。

三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案主要零件材料

8 三偏心金属硬密封蝶阀结构优化改进方案结语

    三偏心硬密封蝶阀的高弹性等强度密封圈改善了密封圈的受力分布，使密封圈周边在阀杆力矩的作用下有基本上均匀一致的应力和变形。针对在加工过程中的不连续切削和无法研磨问题，提出了在制造过程中工艺加宽阀座密封面和密封圈的方法，以使密封面在加工过程中处于连续切削状态，改善切削加工条件，改善刀具和工件的受力情况，获得更好的表面尺寸精度，并可以实现阀座密封面和蝶板密封面的研磨。通过这些措施获得三偏心硬密封蝶阀优异的密封性能和长期的使用寿命。