液氫用低溫三偏心蝶閥的反向密封性能分析

賈琦月，龐 東，李文忠，段大軍，蔣永兵，余曉光，梁 坤

（1.中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

從液氫儲(chǔ)罐到低壓輸送和中壓輸送，液氫蝶閥往往作為重要位置的切斷閥出現(xiàn)，而且口徑一般較大，閥門(mén)按照工藝的要求切斷流體?；谝簹涞蜏剡\(yùn)行的特點(diǎn)，液氫低溫蝶閥需要在低溫為-253 ℃工況下具有良好的密封性能。在有些工況下，要求閥門(mén)既能夠切斷正向的流體，又能夠切斷反向的流體，即閥門(mén)需要達(dá)到雙向密封。對(duì)于三偏心低溫蝶閥而言，實(shí)現(xiàn)主密封方向的切斷比較容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于反向的密封，卻較難實(shí)現(xiàn)。在液氫低溫閥門(mén)的研發(fā)過(guò)程中，需要運(yùn)用故障分析方法，找出產(chǎn)品的失效原因，解決閥門(mén)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中存在的問(wèn)題［1］。本文通過(guò)對(duì)三偏心蝶閥在實(shí)現(xiàn)反向密封過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，探討三偏心蝶閥密封的影響因素，研究三偏心蝶閥反向密封時(shí)蝶板的變形，并提出蝶板和閥座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 三偏心蝶閥密封的影響分析

三偏心液氫用蝶閥的密封副為兩平行截面在圓錐上斜切所得的部分，具有3 個(gè)偏心：蝶板的旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于流道中心偏心、旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于蝶板平面的軸向偏心和圓錐軸線相對(duì)于流道中心線的角度偏心。經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的偏心參數(shù)，既能保證液氫用蝶閥在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，密封圈能夠迅速完全脫離閥座，與閥座密封面無(wú)摩擦干涉；又能保證蝶閥在關(guān)閉時(shí)，密封圈可以與閥座密封面嚴(yán)密貼合［2］。三偏心蝶閥相比于只能用非金屬材質(zhì)或者彈性薄壁圈作為密封副的中線蝶閥和雙偏心蝶閥，由于在關(guān)閉過(guò)程中密封副之間完全沒(méi)有擠壓和摩擦，只在關(guān)閉位置處閥座和密封圈緊密接觸實(shí)現(xiàn)密封，因此可以采用機(jī)械性能更好的整體金屬材質(zhì)制作而成［3］。然而由于我國(guó)低溫蝶閥研發(fā)和制作起步較晚，且大部分針對(duì)三偏心蝶閥的研究是利用理想模型通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行分析［4-6］。

三偏心蝶閥的主密封方向，是蝶閥的密封錐面壓緊方向，并與流體介質(zhì)的正向流動(dòng)方向一致，密封面越壓越緊，所以密封較為容易實(shí)現(xiàn)；而反向密封的方向，是密封面相互脫離的方向，與流體反向流動(dòng)方向一致，密封面有脫開(kāi)的趨勢(shì)，所以密封難度大。為了實(shí)現(xiàn)三偏心閥座的反向密封，蝶閥密封面需要處于過(guò)關(guān)閉的狀態(tài)。過(guò)關(guān)閉可以直接提高密封副之間的密封比壓，由于密封圈在大斜面和平行面處受到閥座擠壓產(chǎn)生沿徑向的收縮變形。國(guó)內(nèi)針對(duì)低溫蝶閥關(guān)鍵零件的整體變形已有大量研究［7-8］，然而對(duì)于直接影響蝶閥低溫時(shí)密封性能的閥座和密封圈的密封面的變形情況的研究還不足。對(duì)于整體為圓環(huán)結(jié)構(gòu)的剛性密封圈來(lái)說(shuō)，其周長(zhǎng)保持不變，因此會(huì)在過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生徑向的膨脹變形，從而進(jìn)一步增大密封圈在該位置與閥座的擠壓力，提高三偏心蝶閥整機(jī)的密封性能。密封圈的變形情況如圖1 所示。反向密封的失效，往往是因?yàn)榈y的密封副的變形，導(dǎo)致密封副之間沒(méi)有形成必要的密封比壓。因此，在流體反向流動(dòng)時(shí)，解決蝶閥密封副的密封比壓，是解決液氫用低溫蝶閥反向密封的關(guān)鍵。

圖1 蝶板關(guān)閉時(shí)密封圈的變形情況Fig.1 Deformation of the sealing ring when the butterfly plate is closed

三偏心蝶閥密封副的密封比壓與其過(guò)盈配合設(shè)計(jì)相關(guān)，過(guò)盈配合存在著1 個(gè)密封過(guò)渡區(qū)，三偏心蝶閥的密封過(guò)渡區(qū)，從密封副初始接觸到過(guò)關(guān)閉的整個(gè)過(guò)程，在過(guò)渡區(qū)，存在著摩擦干涉，所以這個(gè)區(qū)域，存在著磨損問(wèn)題。三偏心蝶閥經(jīng)過(guò)多次開(kāi)關(guān)后，密封副在過(guò)渡區(qū)的摩擦磨損情況相比其他位置更為明顯。圖2 示出閥座和密封圈在過(guò)渡區(qū)的磨損痕跡。磨損到一定程度后，蝶閥的密封將會(huì)失效。因此，在蝶板旋轉(zhuǎn)到過(guò)關(guān)閉位置時(shí)，三偏心蝶閥密封副間形成較大的密封比壓，有利于形成有效密封；但是當(dāng)密封副過(guò)盈量設(shè)計(jì)過(guò)大時(shí)，會(huì)使密封副在過(guò)渡區(qū)的磨損程度增大，對(duì)蝶閥的使用壽命產(chǎn)生不利影響。減少過(guò)渡區(qū)的磨損問(wèn)題，須通過(guò)對(duì)密封圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將過(guò)渡區(qū)的面密封改為線密封，有利于降低三偏心蝶閥在關(guān)閉時(shí)密封圈對(duì)閥座的摩擦磨損程度。

對(duì)三偏心蝶閥的蝶板從理想關(guān)閉位置旋轉(zhuǎn)到過(guò)關(guān)閉位置過(guò)程中，分析密封圈的變形可知，密封圈的邊線是三偏心蝶閥密封的關(guān)鍵位置，因此密封圈在加工和裝配過(guò)程中，邊線不能有劃痕和缺陷。蝶閥過(guò)關(guān)閉時(shí)需要在密封面上形成連續(xù)的密封比壓，這樣才能確保蝶閥形成有效的反向密封。一旦在邊線位置出現(xiàn)劃痕或缺陷，將造成該位置的密封比壓不足、比壓不連續(xù)，進(jìn)而引發(fā)閥門(mén)的泄漏。

2 介質(zhì)反向作用時(shí)蝶板的變形

當(dāng)三偏心蝶閥承受正向介質(zhì)壓力時(shí)，介質(zhì)推動(dòng)蝶板上的密封圈擠壓閥座，提高密封副之間的密封比壓，有利于蝶閥的密封，如圖3 所示。

圖3 介質(zhì)正向作用時(shí)密封副之間的密封比壓Fig.3 The sealing specific pressure between sealing pairs under the positive action of the medium

同理，當(dāng)介質(zhì)反向作用在蝶閥上時(shí)，將減弱密封副之間的密封比壓，不利于蝶閥的密封。本文通過(guò)對(duì)圖4 示出的DN1 000 的簡(jiǎn)化蝶板和閥桿模型分析可知，當(dāng)閥桿固定，對(duì)蝶板反向施加壓強(qiáng)為1 MPa 時(shí)，蝶板在垂直閥桿的邊緣位置產(chǎn)生遠(yuǎn)離閥座的變形，且變形量最大可達(dá)到1.748 mm，如圖5 所示。在該位置處，固定在蝶板上的密封圈與閥座之間的密封比壓減小，形成泄漏點(diǎn)，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)反向密封。

圖4 簡(jiǎn)化的蝶閥內(nèi)件模型Fig.4 Simplified butterfly valve trim model

圖5 反向加壓時(shí)蝶板變形分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of butterfly plate deformation under reverse pressure

因此針對(duì)上述問(wèn)題，三偏心蝶閥若要實(shí)現(xiàn)反向承壓密封的功能，需對(duì)蝶板和閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。一方面解決變形的問(wèn)題，加大密封部件的剛度。通過(guò)增加蝶板壁厚和設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋來(lái)提高蝶板的剛度，減小蝶板在介質(zhì)反向作用時(shí)的變形程度；另一方面提高密封副的結(jié)合程度，引入彈簧結(jié)構(gòu)，使浮動(dòng)式閥座可以在平行流道方向發(fā)生微量移動(dòng)，當(dāng)?shù)瀹a(chǎn)生遠(yuǎn)離閥座方向的變形時(shí)，活動(dòng)閥座通過(guò)微量位移進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整，仍與密封圈緊密貼合，對(duì)蝶板的變形進(jìn)行了補(bǔ)償，保證三偏心蝶閥的反向密封性能［9］。

3 介質(zhì)反向作用時(shí)蝶板的應(yīng)力分布

在反向密封過(guò)程中，對(duì)低溫三偏心蝶閥閥座和密封圈的密封面在過(guò)渡區(qū)的接觸狀態(tài)進(jìn)行幾何分析。分析表明，低溫蝶閥在密封過(guò)渡區(qū)中的接觸狀態(tài)按照密封面的幾何貼合關(guān)系，分為3 個(gè)階段：初始接觸狀態(tài)（點(diǎn)線貼合）；配合關(guān)閉狀態(tài)（密封面貼合）；配合過(guò)關(guān)閉狀態(tài)（點(diǎn)線貼合）。建立模型對(duì)密封圈與閥座間的密封比壓進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)密封面上應(yīng)力分布進(jìn)行分析。蝶閥閥板和閥桿、閥板和密封圈壓圈之間均設(shè)置為綁定關(guān)系，密封圈和閥體的閥座之間為摩擦接觸，閥體在兩端法蘭處施加固定約束，對(duì)閥桿施加1 000 N·m 的關(guān)閉扭矩。低溫介質(zhì)反向作用在蝶板，反向密封過(guò)程中，作用在蝶板上的應(yīng)力值減弱，為了實(shí)現(xiàn)密封，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩即可提高密封比壓，使應(yīng)力值與正向密封調(diào)整為一致，密封面上應(yīng)力分布分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 密封壓力分布云圖Fig.6 Sealing pressure distribution cloud diagram

從圖6 中可以看出，在密封圈大斜面右側(cè)的應(yīng)力較大為32.762 MPa，在密封圈小斜面遠(yuǎn)左側(cè)的應(yīng)力較大，最大值為17.037 MPa，二者分布在密封圈的兩側(cè)，均呈現(xiàn)線狀。在中間靠近閥桿的位置，整體密封比壓約為3～4 MPa，分布均勻呈帶狀，且相比大小斜面處的最大應(yīng)力偏小。實(shí)際上，三偏心蝶閥常見(jiàn)的泄漏點(diǎn)在靠近閥桿的位置，該分析結(jié)果與實(shí)際密封情況一致。

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)三偏心蝶閥的密封進(jìn)行分析可知，結(jié)合低溫工況的閥座和密封圈的收縮狀態(tài)，優(yōu)化閥座和密封圈的配合公差，調(diào)整閥桿機(jī)械性能，增大密封比壓，可以有效地提高蝶閥的反向密封性能。參照標(biāo)準(zhǔn)BS 6364［10］中對(duì)低溫密封測(cè)試的要求，以Class150 NPS42 的三偏心蝶閥為液氫用低溫蝶閥的樣機(jī)，在調(diào)整閥桿機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，將密封圈與閥座配合的密封面的加工尺寸為D（見(jiàn)圖7）的公差由原來(lái)的+0.45～+0.55 mm 改進(jìn)為+0.35～+0.45 mm，減小三偏心蝶閥關(guān)閉時(shí)閥座和密封圈的干涉量，使密封副的貼合更緊密。

圖7 密封圈的加工尺寸Fig.7 Processing dimension of sealing ring

裝配調(diào)試完成后，使用氦氣測(cè)試其在液氮溫度為-196 ℃環(huán)境下的反向密封性能。測(cè)試采用如圖8 示出低溫測(cè)試裝置，試驗(yàn)溫度控制和低溫測(cè)試流程按照標(biāo)準(zhǔn)BS 6364 要求執(zhí)行，并在測(cè)試過(guò)程中控制上閥蓋的填料密封溫度，確保滿足外泄漏的逸散性要求。

根據(jù)低溫閥門(mén)BS 6364 標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)樣機(jī)進(jìn)行的低溫試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 密封圈取不同加工公差時(shí)的反向密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Reverse sealing test data for sealing rings with different machining tolerances

標(biāo)準(zhǔn)BS 6364-1998《低溫閥門(mén)》規(guī)定，在溫度為-196 ℃、試驗(yàn)介質(zhì)為氦氣時(shí)，Class150 NPS42的低溫蝶閥在設(shè)計(jì)壓差內(nèi)的泄漏量不能超過(guò)6.3 L/min。從表1 中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)對(duì)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和對(duì)密封圈的加工公差的優(yōu)化，三偏心蝶閥的反向密封性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

（1）在流體反向流動(dòng)時(shí)，解決蝶閥密封副的密封比壓，是解決液氫用低溫蝶閥反向密封的關(guān)鍵。

（2）三偏心蝶閥密封副的密封比壓與其過(guò)盈配合設(shè)計(jì)相關(guān)。當(dāng)密封副過(guò)盈量設(shè)計(jì)過(guò)大時(shí)，會(huì)使密封副在過(guò)渡區(qū)的磨損程度增大，對(duì)蝶閥的使用壽命產(chǎn)生不利影響。

（3）減少過(guò)渡區(qū)的磨損問(wèn)題，需要通過(guò)對(duì)密封圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將過(guò)渡區(qū)的面密封改為線密封，有利于降低三偏心蝶閥在關(guān)閉時(shí)密封圈對(duì)閥座摩擦的磨損程度。

（4）對(duì)三偏心蝶閥的蝶板從理想關(guān)閉位置旋轉(zhuǎn)到過(guò)關(guān)閉位置過(guò)程中，分析密封圈的變形可知，密封圈的邊線是三偏心蝶閥密封的關(guān)鍵位置，因此密封圈在加工和裝配過(guò)程中，邊線不能有劃痕和缺陷。蝶閥過(guò)關(guān)閉時(shí)需要在密封面上形成連續(xù)的密封比壓，這樣才能確保蝶閥形成有效的反向密封。

（5）三偏心蝶閥若要實(shí)現(xiàn)反向承壓密封的功能，需對(duì)蝶板和閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。不僅要解決變形的問(wèn)題，加大密封部件的剛度，還需要提高密封副的結(jié)合程度。