浮动式双向金属密封蝶阀的设计.pdf

文章编号 100225855 2006 0420009202 作者简介李洪武1975 - ,男,青海人,助理工程师,主要从事阀门的制造工作。 浮动式双向金属密封蝶阀的设计 李洪武 上海双高阀门集团有限公司,上海201609 摘要 分析了三偏心蝶阀在反向受压时存在的问题,论述了一种新型浮动式双向硬密封蝶阀 的设计原理及阀座加工的工艺要求。 关键词 蝶阀;浮动式;密封;结构 中图分类号 TH134 文献标识码 A The design principle of floating bi2directional metal sealing butterfly valve LI Hong2wu Shanghai ShuangGao Valve Group Co. , Ltd , Shanghai 201609 , China Abstract through analyzing the potential problems for tri - eccentric butterfly valve when received pressure from reverse direction , this article discusses the design principle for a new type of floating bi - lateral metal sealing butterfly valve and the technical requirements on seat - machining. Key words butterfly valve ; floating; seal ; structure 1 概述 经过近几年的发展,双偏心蝶阀和三偏心硬密 封蝶阀设计与制造趋向成熟和完善,其结构更加新 颖和可靠,性能比较优越,尤其是对于大口径的设 备而言,这一点显得十分的突出。但是,在工况条 件为阀门双向密封时,双偏心和三偏心蝶阀难于达 到设计要求。偏心蝶阀因其阀杆与通道中心的偏心 结构的存在,反向施压几乎为零。浮动式双向密封 蝶阀是专为解决蝶阀在管道中反向受力时仍然能保 持可靠的密封而研制开发的新型阀门,它具有耐腐 蚀,抗磨损,使用寿命长等特点。驱动方式为手 动、气动和电动,压力级最大可达614 MPa。该阀 适用于石油、化工、天然气、供水等行业中需要有 双向受力的管道上。 2 结构原理 传统蝶阀的双偏心、三偏心结构如图1所示。 蝶板密封面几何形状采用斜锥形面或球形面,密封 圈的弹性是通过蝶板的径向挤压和正向介质的推力 与阀体密封副产生“楔块效应”,使密封圈产生柔 性接触而达到密封的目的。在顺压方向上该蝶阀具 有越关越紧的特性,而反向施压,因蝶阀偏心h 值的存在使阀门在受到较小的压力下便能轻松开 启。 图1 偏心结构蝶阀 211 受力分析 在反向受压时,对于偏置蝶板,蝶板左右两半 92006年第4期 阀 门 面所受压力差为图 2 图2 蝶板 △F P S2-S1 S1 πR2 2 -2hR S2 πR2 2 2hR 因偏心h值很小,将偏心面积近似于长方形,则 △F 4PhR 因此在设计新型的双向密封的蝶阀时,优先要 解决其偏心问题,即径向偏心h。 为了保证蝶阀在管 道上实现轻松开启,偏心h值需慎重选取。 三偏心蝶 阀的特点是在阀门开启很小的角度下,即能实现蝶 板密封面与阀座密封面的脱离,但与之带来的是反 向施压效果比较差。 因此,在设计蝶阀时应减小偏心 h值,减小后的偏心值设为0。e值趋向很小,但不为 0, e值在阀门反向受压时影响趋向很小,这有利于 阀门反向施压时具有可靠的密封性,从而实现实质 上的双向密封性能。 此时,对于偏置蝶板的左右两半 面所受压力差为 ΔF P S2-S1 S1 πR2 2 -2eR S2 πR2 2 2eR ΔF 4PeR 取极限limΔF lim e→04 PeR≈0 同样,因偏心e值很小,将偏心面积近似的看 作是长方形 偏心式的蝶阀阀杆力矩MD为 MD MM MC MT MJ Md 式中 MM 密封面间摩擦力矩 MC 阀杆轴承的摩擦力矩 MT 密封填料的摩擦力矩 MJ 静水力矩当阀杆垂直安装时为0 Md 动水力矩 因蝶阀偏心h值的减小,受影响的阀杆力矩表 现为MM,即密封面间摩擦力矩 MM4qMRbMfM h 2 R2 偏心值h ,密封面间摩擦力矩MM减小。 同时,可以将因偏心而产生的力矩降到最小,当 阀门反向试压时,依靠蜗杆操作器的自锁功能就可 以将阀门反向的承压能力提高一个新的水平。 212 楔角确定 典型的三偏心结构由蝶板回转轴线即阀杆轴 线与蝶板密封面偏置一个尺寸a ,并与阀体通道轴 线偏置一个尺寸h ,阀座回转轴线与阀体通道轴线 形成一个角度θ。 浮动式双向密封蝶阀采用斜锥圆 弧面密封结构,蝶板密封副中心圆弧面切线构成偏 心角为2θ,其他偏心结构同普通三偏心图3。 θ角 度的大小直接决定了蝶板关闭瞬间楔入效果,一般 来说,θ角度越大,楔入效果越差,而开启则较轻松, θ角度越小,楔入效果越好,而开启则较困难。 因此 合理的控制θ角度对研制双向密封蝶阀具有关键的 作用,经过几年的研究得到一系列数据,根据阀门口 径的不同以及加工的方便性,双向密封蝶阀θ角度 控制在14 ～20 之间为宜。 图3 浮动式双向密封蝶阀 213 浮动阀座设计 仅解决偏心问题和阀座回转轴下转第25页 01 阀 门 2006年第4期 的数量和序号上存在一定的盲目性和随意性。EN ISO 13340规定试样数为9个,具体规定了试样阀 所对应的试验,使试样阀的选用更具有规范性和合 理性。 313 型式试验项目 与GB 17878相比EN ISO 13340不做的试验 项目有启闭性、启动性、耐振性、耐用性四项。与 可重复充装气瓶阀相比,此四项试验,特别是耐用 性试验对确保非重复充装气瓶阀的安全性意义不 大。 与GB 17878相比EN ISO 13340多做的试验 项目有氧气压力激燃阀试验和阀与瓶的连接试 验。对氧气或强氧化性气体来说,氧气压力激燃 阀试验是确保气瓶阀安全性的一项非常重要的 试验项目。同样,阀与瓶的连接试验对保证非重复 充装气瓶的密封性来说,也非常重要。 GB 17878与EN ISO 13340在试验要求上有不 同的试验项目。GB 17878的气密性试验在217 MPa下进行,非重复充装试验压力为015 MPa , 耐压性试验在410 MPa下进行。EN ISO 13340的 气密性试验在阀的试验压力Pvt和低压 0 11 bar ,有毒气体可到015 bar下进行,非重复充装 试验压力为10 Pvt,除乙炔阀为450 bar ,其他阀 耐压试验压力为气瓶试验压力的2倍。两者相比, 在气密性试验方面有两种不同的要求。一是GB气 密性试验的压力是217 MPa ,为一固定值,仅能满 足低压液化气体气密性试验的需要,而不能满足更 高工作压力的高压液化气体、永久气体和溶解乙炔 气体的气密性试验压力的需要。二是EN增加了低 压气密性试验,对瓶阀与气瓶的密封性提出了更高 的要求。在非重复充装试验压力方面, GB中为一 固定值,而EN中是10 Pvt试验压力。同样, 在耐压试验压力方面, GB为一固定值,而EN为 气瓶试验压力的2倍。 314 试验报告 GB 17878中没有规定对试验报告的具体要求, EN ISO 13340中对报告有具体的规定。 4 建议 411 扩大非重复充装瓶阀标准的使用范围,取消 对重复充装瓶阀的用途、工作温度、工作压力、充 装介质等的限定。 412 明确试样号与试验项目的对应关系。 413 修改非重复充装和耐压性试验的试验压力。 增加低压气密性试验、氧气压力激燃阀试验和 阀与瓶的连接试验等项目。 414 对试验报告提出具体要求。 参考文献 〔1〕 GB 17878 - 1999 ,工业用非重复充装瓶阀 〔S〕. 〔2〕 EN ISO 13340 2001 ,可搬运式气瓶 非重复充装瓶阀 技术要求和型式试验 〔S〕. 收稿日期 20061061 29 上接第10页线与阀体通道轴线形成的一个θ角 度不能很好的满足阀门密封的效果,因此又研究了 新型的浮动式阀座密封结构图3。 阀座采用17- 4H的弹簧钢,密封面车制成U形结构,开口带一定 的角度,开口为V形口。 阀座跟阀体的密封为线密 封结构,阀座跟蝶板的密封为弧面密封结构。 在正向 方向上,当阀门关闭时,阀座可以沿垂直与通道方向 做一定的滑动,阀座随蝶板的楔入浮动到最佳的密 封位置,在蝶板的挤压下阀座与蝶板间的密封力逐 渐达到最大值,从而获得可靠的密封效果。 214 浮动阀座工艺 阀座的加工可用成形刀具在数控机床上加工, 这样易于保证阀座整体壁厚的匀称性和合适的V 形倾角。成形刀具的制作需内外两把刀具,两把刀 具均系用线切割方式制作,精度好,这样成形效果 比较理想。 蝶板密封面设计为球面结构,并且带有一定的 斜锥形。密封面堆焊不锈钢,增强管道介质对密封 面的抗腐蚀,耐冲刷性,密封面的缺陷将直接影响 到整个阀门的密封效果。 3 结语 浮动式双向硬密封蝶阀的开发成功,解决了三 偏心式蝶阀双向密封的需要,扩大了用户的选择空 间。在实际的使用中,该阀门也达到了设计规定的 密封耐压效果。 参考文献 〔1〕 陆培文.实用阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002. 〔2〕 杨源泉.阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 收稿日期 20061051 23 522006年第4期 阀 门