三偏心蝶閥密封結(jié)構(gòu)與安裝方向探討

吳 軍 蔡曉峰 張玉玲

(1.中國五環(huán)工程有限公司；2.輝瑞(武漢)研究開發(fā)有限中心)

蝶閥是近年來發(fā)展最為迅速的閥門種類之一，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，蝶閥的適用范圍愈加廣泛，種類和數(shù)量不斷擴(kuò)大，并向著耐高溫高壓、高密封性、大口徑、壽命長、調(diào)節(jié)特性優(yōu)良和多功能的方向發(fā)展。蝶閥的分類方式有很多，一般按閥門構(gòu)造可分為中線密封蝶閥、單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥；按密封結(jié)構(gòu)可分為金屬密封和襯橡膠或襯氟塑料的軟密封，其中，金屬密封可采用多層密封結(jié)構(gòu)或彈性密封結(jié)構(gòu)。

為滿足多種不同的工況，蝶閥歷經(jīng)了同心、單偏心到雙偏心的轉(zhuǎn)變。一般，耐高溫雙偏心蝶閥必需選用硬密封，但會(huì)有泄漏量大的缺點(diǎn)；零泄漏雙偏心蝶閥必需使用軟密封，但會(huì)有不耐高溫的缺點(diǎn)。為克服這一矛盾，又對(duì)蝶閥進(jìn)行了第三次偏心[1]，高性能三偏心蝶閥具有三重偏置，可提高其作用效率，且具有防漏功能[2]。

在此，筆者在對(duì)幾種蝶閥的密封結(jié)構(gòu)及其性能對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，以三偏心蝶閥為例，詳細(xì)分析其密封結(jié)構(gòu)與安裝方向。

1 幾種蝶閥的比較

按閥蝶與中心線的相對(duì)位置，可將其分為兩種：低壓或中心對(duì)稱蝶閥，其閥蝶與軸線是同心的，在開啟位置，閥蝶將流體等分，閥蝶在中間且與流動(dòng)方向平行；高性能或偏置蝶閥，其閥蝶與閥門中心存在一個(gè)偏置，這種偏置使得閥蝶總是偏心的遠(yuǎn)離或朝向閥座。

幾種蝶閥的密封原理如下[3]。

中線密封蝶閥(圖1)。閥板在加工時(shí)需要確保它的密封面具備一定的表面粗糙度，合成橡膠閥座壓模成形構(gòu)成的密封面也需要具備一定的表面粗糙度。閥門封閉時(shí)，閥板轉(zhuǎn)動(dòng)，閥板的外圓密封面通過壓擠合成橡膠閥座，使合成橡膠閥座發(fā)生彈性力并作為密封比壓確保閥門的密封。

圖1 典型的中線密封蝶閥密封構(gòu)造

單偏心蝶閥(圖2)。當(dāng)單偏心蝶閥處于打開的狀態(tài)時(shí)，其閥板密封面會(huì)離開閥座密封面，尤其當(dāng)閥板從0°轉(zhuǎn)動(dòng)到20～25°之間時(shí)，閥座密封面與閥板密封面將徹底分離。當(dāng)單偏心蝶閥關(guān)閉時(shí)，閥板在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，其外圓密封面逐步靠近并擠壓聚四氟乙烯閥座，使閥座發(fā)生彈性形變，產(chǎn)生的彈性力作為密封比壓確保蝶閥的密封。如此，單偏心蝶閥的開閉不但使閥座與閥板兩密封面之間的機(jī)械磨損和壓擠大幅下降，而且使蝶閥的密封性得以提高。

圖2 典型的單偏心蝶閥密封構(gòu)造

雙偏心蝶閥(圖3)。當(dāng)閥板打開90°時(shí)，由于存在尺寸偏差b，使得閥板的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑分成短半徑和長半徑。長半徑轉(zhuǎn)動(dòng)軌道的切線與閥座密封面形成一個(gè)θ角，使閥座與閥板之間存在一個(gè)漸出離開和漸入壓擠的作用，因而降低了閥板開閉時(shí)雙偏心蝶閥密封副兩密封面之間的機(jī)械磨損和擦傷。該類型蝶閥的閥板密封面和閥座密封面的間隙比單偏心蝶閥的大，比中線蝶閥能夠更快離開閥座密封面。

圖3 典型的雙偏心蝶閥密封構(gòu)造

三偏心蝶閥(圖4)。當(dāng)三偏心蝶閥處于徹底打開狀態(tài)時(shí)，其閥板密封面與閥座密封面徹底分離，并且在閥體與閥板兩個(gè)密封面之間形成一個(gè)和雙偏心蝶閥類似的間隙。由圖4可知，由于產(chǎn)生了β偏置角，在長半徑與短半徑轉(zhuǎn)動(dòng)的閥板大、小半圓上，閥板密封面轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡的切線與閥座密封面構(gòu)成了θ1、θ2角，從而使閥板開閉時(shí)密封面相對(duì)于閥座密封面漸出離開和漸入壓緊，完全消除了閥板開閉時(shí)密封副兩密封面之間的機(jī)械磨損與擦傷。該類蝶閥在逐漸打開時(shí)，其閥板的密封面會(huì)在開啟的一瞬間馬上離開閥座密封面；當(dāng)逐漸關(guān)閉時(shí)，只有閉合瞬間，閥板密封面才會(huì)觸碰并緊壓閥座密封面。

圖4 典型的三偏心蝶閥密封構(gòu)造

筆者根據(jù)各類型蝶閥的文獻(xiàn)資料并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將蝶閥的密封型式、密封性能、機(jī)械磨損、泄漏情況及制造成本等性能進(jìn)行定性的對(duì)比分析(表1)，方便工程設(shè)計(jì)人員能更準(zhǔn)確地選用蝶閥和判斷蝶閥方向。需要注意的是，蝶閥的方向性與蝶閥型式和密封型式有著密切的聯(lián)系。

表1 幾種蝶閥性能的對(duì)比結(jié)果

注：根據(jù)閥座結(jié)構(gòu)型式的不同，有單向密封和雙向密封，即使是雙向密封，兩個(gè)方向的密封能力也不是完全相同的，通常軸側(cè)高壓的密封效果好于板側(cè)高壓，所以表中單向指的是嚴(yán)格意義上的理論方向。

2 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)與安裝

2.1三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)

普通蝶閥具有一個(gè)偏心，即閥軸中心線與閥板中心線(密封面中心線)偏移；高性能蝶閥在此基礎(chǔ)上多加一個(gè)偏心，即閥軸中心線與閥門中心線(管道中心線)偏移。雙偏心的目的是使閥板開到20°以后，密封副之間互相分離，減少磨擦(凸輪效應(yīng))。三偏心蝶閥在雙偏心蝶閥的基礎(chǔ)上又增添一個(gè)偏心——斜錐，即閥板的偏移(密封面與管道垂直面的偏移)。

如此，閥門在逐漸開啟時(shí)，密封副之間能夠徹底分離，不僅強(qiáng)化了凸輪效應(yīng)，還徹底消除了磨擦；當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，隨著密封副逐步閉合，發(fā)生楔塊效應(yīng)，憑最小扭矩力完成最嚴(yán)實(shí)的關(guān)閉。

3種偏心型式蝶閥的對(duì)比如圖5所示。

圖5 3種偏心型式蝶閥的對(duì)比

由圖5可知，第三次偏心最顯著的特征在于其從本質(zhì)上更改了密封結(jié)構(gòu)，即采用扭力密封，不再依靠閥座的彈性形變實(shí)現(xiàn)密封，而是通過閥座的接觸面壓來滿足密封效果，因此實(shí)現(xiàn)了金屬閥座的零泄漏。并且由于接觸面壓與介質(zhì)壓力成正比，耐高壓高溫的問題也迎刃而解[4]。海南LNG使用的Vanessa 30000系列回轉(zhuǎn)式工藝蝶閥就是一種獨(dú)特的四分之一回轉(zhuǎn)式三偏心蝶閥，其結(jié)構(gòu)如圖6、7所示。

圖6 海南LNG三偏心蝶閥

圖7 海南LNG三偏心蝶閥箭頭方向

2.2三偏心蝶閥的安裝

2.2.1三偏心蝶閥的安裝方向

根據(jù)閥體上箭頭的不同，可將三偏心蝶閥的安裝方向總結(jié)為3種情況。

第一種情況，蝶閥閥體上已經(jīng)注明了表示介質(zhì)流向的箭頭，此時(shí)應(yīng)按流向標(biāo)示的方向安裝使用[1]。

第二種情況，蝶閥閥體上沒有任何方向的標(biāo)示。此時(shí)，應(yīng)查閱閥門廠家說明書，判斷蝶閥類型，再根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)判斷是否有安裝方向要求，如果是偏心蝶閥就應(yīng)引起重視。

第三種情況，蝶閥閥體上標(biāo)明了壓力方向的箭頭(箭頭的尾端表示受壓側(cè))，如圖6、7所示。海南LNG系統(tǒng)的低溫蝶閥絕大部分注明的都是壓力方向箭頭，此時(shí)若施工人員在安裝時(shí)當(dāng)做介質(zhì)流向箭頭的方式安裝，則勢必導(dǎo)致閥門密封性變差，降低閥門使用壽命。

以LNG工藝系統(tǒng)為例(圖8)，三偏心低溫蝶閥V000778的箭頭方向由右至左指向安全閥，此時(shí)介質(zhì)的流向顯然是從左至右的。因此，此時(shí)閥門殼體上的箭頭標(biāo)示方向并不是介質(zhì)流向，而是閥門關(guān)閉時(shí)的承壓方向，所以調(diào)節(jié)閥兩邊的蝶閥箭頭方向各指向背向調(diào)節(jié)閥的方向。

圖8 LNG工藝流程系統(tǒng)示意圖

偏心蝶閥安裝在不同的管路時(shí)安裝方向不盡相同，其主要目的就是在確保管路正常運(yùn)作的前提下，需考慮后續(xù)的管路維護(hù)保養(yǎng)。當(dāng)安全閥損壞需要檢修時(shí)，蝶閥關(guān)閉，旁路球閥打開，則其承壓方向來自右邊，因此，圖8中蝶閥應(yīng)背向安全閥安裝。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，三偏心蝶閥的閥板側(cè)為低壓側(cè)，閥軸側(cè)為高壓側(cè)，即受壓側(cè)，閥門兩側(cè)壓力不同時(shí)，有利于閥門關(guān)嚴(yán)，符合三偏心蝶閥的工作要求。如Orton公司對(duì)于三偏心金屬密封蝶閥的安裝要求就是使關(guān)閉狀態(tài)高壓側(cè)位于閥軸一側(cè)，以便長期密封。

根據(jù)偏心蝶閥結(jié)構(gòu)(閥板側(cè)與閥軸側(cè))、管道的高低壓側(cè)和檢修因素，就能準(zhǔn)確確定其安裝方向。有安裝方向的蝶閥，其安裝方向應(yīng)在P&ID圖與ISO圖(管道軸測圖)中標(biāo)示出來，避免現(xiàn)場施工人員依照?qǐng)D紙安裝蝶閥時(shí)出錯(cuò)。

2.2.2蝶閥安裝方向原因剖析

進(jìn)口三偏心金屬密封蝶閥通常有其推薦的安裝方向，不建議反裝；國內(nèi)偏心蝶閥制造工藝相對(duì)差些，通常反向比正向差一個(gè)泄漏等級(jí)或一到兩個(gè)壓力等級(jí)，更不能反裝。原因如下：

a. 取決于蝶閥的構(gòu)造。中線密封蝶閥密封構(gòu)造決定了其雙側(cè)壓力承受能力是相同的，因此中線密封蝶閥對(duì)流向沒有要求。偏心蝶閥(包括單偏心、雙偏心和三偏心蝶閥)大多對(duì)流向有要求，即使是雙向密封也只是正反兩個(gè)方向能在規(guī)定的壓力等級(jí)下滿足密封要求，其中必定有一側(cè)可承受更高的壓力，使密閉性更好。

b. 方便檢修。偏心蝶閥一般閥軸側(cè)為高壓側(cè)，閥板側(cè)為低壓側(cè)，一旦安裝反將導(dǎo)致檢修時(shí)閥門產(chǎn)生泄漏。

c. 有利于蝶閥的密封，防止內(nèi)漏。三偏心蝶閥的閥座與閥板密封面之間的密封是通過傳動(dòng)裝置的力矩使閥板壓向閥座實(shí)現(xiàn)的。流道介質(zhì)順流時(shí)，介質(zhì)壓力越高密封擠壓越緊；流道介質(zhì)逆流時(shí)，隨著介質(zhì)壓力的增加，當(dāng)閥座與閥板相互間的單位正壓力小于介質(zhì)壓強(qiáng)時(shí)，密封開始泄漏。

3 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)場施工人員經(jīng)常將偏心蝶閥方向安裝錯(cuò)誤的情況，筆者對(duì)蝶閥密封原理及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討。經(jīng)分析，對(duì)于偏心蝶閥尤其是三偏心蝶閥，雖然各閥門廠家標(biāo)稱為雙向密封，對(duì)安裝方向并無要求，但其只是反向密封的承壓能力提高，仍不能正向承壓。對(duì)于三偏心蝶閥，無論從檢修還是從密封性的角度考慮，都表明它是具有安裝方向的，選擇正確的安裝方向不僅有利于閥門密封、保護(hù)閥門、延長閥門使用壽命，還能最大程度地避免潛在的安全隱患。

[1] 趙建明.三偏心蝶閥的發(fā)展及應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工,2014,(7):53～54.

[2] Mohinder L N著,李國成譯.管道手冊[M].北京:中國石化出版社,2006:350～353.

[3] 陸培文,孫曉霞,楊炯良.閥門選用手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:184～189.

[4] GB/T 12238-2008,法蘭和對(duì)夾連接彈性密封蝶閥[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.