工業(yè)用耐高溫三偏心硬密封蝶閥密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

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(yè)系統(tǒng)中常用的閥門類型之一，尤其在建筑暖通、水利水電行業(yè)中更是得到了廣泛的應(yīng)用。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、性能可靠、操作便捷和經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)，深受用戶喜愛。經(jīng)過多年的演變，蝶閥已發(fā)展成為具有多種結(jié)構(gòu)的成熟閥門產(chǎn)品之一。

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

在很多工程項(xiàng)目的技術(shù)條款中會(huì)規(guī)定閥門應(yīng)具有防止介質(zhì)倒流的能力，即閥門可以正向承壓，也可以在介質(zhì)流向發(fā)生改變時(shí)承受反向壓力。但目前已有的蝶閥密封結(jié)構(gòu)并不能滿足這種要求，在工作中發(fā)生介質(zhì)倒流可能會(huì)對(duì)上游設(shè)備造成破壞導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，留下安全隱患。

為避免潛在的風(fēng)險(xiǎn)，以及提高蝶閥的密封性能，本文對(duì)蝶閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)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(jiǎn)化蝶閥加工工藝、裝配工藝的優(yōu)點(diǎn)，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。

1 改進(jìn)前蝶閥的密封結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)弊端

1.1 蝶閥的密封結(jié)構(gòu)

圖1為改進(jìn)前蝶閥的密封結(jié)構(gòu)，閥座圈與閥體為一體結(jié)構(gòu)，在閥座圈密封處堆焊或噴涂硬質(zhì)合金作為密封面；閥座圈不可移動(dòng)，其通過閥門關(guān)閉時(shí)蝶板的扭矩強(qiáng)制使密封圈密封面貼合閥座圈密封面形成密封，當(dāng)受到介質(zhì)反向壓力時(shí)密封性很差。

圖1 改進(jìn)前蝶閥的密封結(jié)構(gòu)

1.2 蝶閥密封結(jié)構(gòu)的弊端

(1)介質(zhì)力對(duì)密封的影響較大。當(dāng)閥門承壓時(shí)，蝶板受介質(zhì)力影響會(huì)產(chǎn)生微量變形，當(dāng)閥門反向承壓時(shí)，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(shì)；而當(dāng)閥門正向承壓時(shí)，蝶板的微量變形會(huì)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(shì)。因此，會(huì)出現(xiàn)閥門正向承壓密封良好，反向承壓蝶板變形出現(xiàn)泄漏的情況。

蝶板形狀不規(guī)則，受介質(zhì)力后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變不均勻的情況，導(dǎo)致蝶板邊緣密封面變形量不均勻。圖2為蝶閥結(jié)構(gòu)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(huì)導(dǎo)致閥門關(guān)閉后實(shí)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(jié)構(gòu)在執(zhí)行器扭矩選用偏小時(shí)會(huì)出現(xiàn)閥門正、反向都關(guān)閉不嚴(yán)密的情況。

圖2 蝶閥結(jié)構(gòu)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(gè)軸孔較長(zhǎng)，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(shí)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(shí)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(shí)閥桿的穩(wěn)定性，間隙較大時(shí)閥桿偏移量大，此時(shí)密封副會(huì)出現(xiàn)脫離的情況，導(dǎo)致閥門泄漏。

(3)閥門的第二偏心對(duì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸不在密封副中心軸線上，因此在閥門啟閉的過程中會(huì)形成一個(gè)偏置扭矩。根據(jù)閥門啟閉件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)打開、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)關(guān)閉的條件，那么此偏置扭矩在閥門承受正向壓力時(shí)，閥門容易關(guān)閉難打開；在閥門承受反向壓力時(shí)，閥門容易打開難關(guān)閉。

2 蝶閥密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及密封原理

2.1 蝶閥密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

圖3為改進(jìn)后的蝶閥密封結(jié)構(gòu)，由閥座圈、彈簧、壓環(huán)、三開環(huán)、緊定螺釘、編織石墨等組成。閥座為可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，在閥座的上部裝填編織石墨，由彈簧提供預(yù)緊力，形成初始密封壓力，其后部裝配三開環(huán)，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(jìn)后蝶閥的密封結(jié)構(gòu)

2.2 蝶閥的密封原理

改進(jìn)后的閥座圈為可活動(dòng)結(jié)構(gòu)，在閥門承受介質(zhì)正向作用力時(shí)，由于閥座圈后部被緊定螺釘頂緊，可防止閥座圈移動(dòng)，保證了密封。在閥門承受介質(zhì)反向作用力時(shí)，閥座圈也承受介質(zhì)推力，使閥座圈具有貼緊密封圈的移動(dòng)趨勢(shì)。如果在閥門試壓時(shí)出現(xiàn)泄漏，還可以通過調(diào)整三開環(huán)上的緊定螺釘進(jìn)一步鎖緊，推動(dòng)可移動(dòng)閥座圈靠向密封圈，使密封更為緊密。

2.3 改進(jìn)后的閥座解決原閥座存在問題的措施

改進(jìn)后的可移動(dòng)閥座圈結(jié)構(gòu)可有效補(bǔ)償?shù)逦⒘孔冃魏烷y桿與軸套配合的間隙值，并且可通過緊定螺釘調(diào)整補(bǔ)償量的大小，以防止補(bǔ)償量不夠閥門依然泄漏，或補(bǔ)償量過大導(dǎo)致的閥門扭矩過大。

增大壓圈的厚度，減小密封圈周圍的應(yīng)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(gè)合理范圍內(nèi)，使閥門在增大密封扭矩時(shí)依然能夠保證密封性。

關(guān)于閥門第二偏心值導(dǎo)致的偏置扭矩，可在設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)構(gòu)改進(jìn)后的密封效果

經(jīng)實(shí)際高壓密封試驗(yàn)，結(jié)果表明：公稱口徑≤1 200 mm、公稱壓力≤25 MPa的蝶閥可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)部分壓力反向承壓密封性能。改進(jìn)后的閥門密封結(jié)構(gòu)更為合理，閥門反向承壓密封性能良好，在實(shí)際使用中得到了客戶良好的評(píng)價(jià)。