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三偏心金属密封蝶阀结构特点及密封性能的研究(一)

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-14 点击: 3,137

1.前言

蝶阀作为一种用来实现管路系统通断及流量控制的部件,在石油、化工、冶金、水电等许多领域中应用广泛,在已知的蝶阀技术中,其密封形式多采用橡胶、聚四氟乙烯等。由于结构的限制,不能适应高温、高压及耐腐蚀、抗磨损等场合。

目前,对阀门的耐久性和可靠性要求越来越高。三偏心金属硬密封蝶阀随着技术的进步应运而生,其阀体和阀座为连体构件,阀座密封表面堆焊耐温、耐腐蚀合金材料,多层软叠式密封圈则固定在碟板上的新型蝶阀。但三偏心结构的在实际生产中也依然存在着很多缺陷。

2.三偏心金属密封蝶阀

2.1 结构特点

三偏心即碟板回转轴线(阀杆轴线)与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b,阀座回转轴线与阀体通道轴线形成一个角度β(a和b分别为轴向和径向偏心,β为角度偏心)(见图1)。

在双偏心的基础上,将阀座回转轴线与阀通道轴线形成一个角度β。当偏心密封蝶阀完全处于开启状态时,其板密封面完全脱离阀座密封面,并在板密封面与阀座密封面之间形成一个与双偏心相同的间隙y(见图2)。由于卢角偏置的形成会使长、短半径转动的板大、小半圆上的板密封面转动轨迹的切线与阀座密封面形成两个不同的夹角,使蝶阀启闭时板密封面相对于阀座密封面渐出脱离和渐入压紧,从而消除了蝶阀启闭时蝶阀密封副之间的机械磨损和擦伤。

三偏心蝶阀同单偏心、双偏心蝶阀一样,阀门的启闭是在O~90°之间实现的。由于三偏心中的β角,使板密封面在开启的瞬间立即脱离阀座密封面,只有在启闭的瞬间,板密封面才会接触并压紧阀座密封面。在此同时密封副两密封面之间的密封比压主要是由阀杆外加驱动力矩产生,不仅消除了常见偏心蝶阀中因弹性阀座、弹性材料老化、冷流、弹性失效等因素造成的密封副两密封面之间的密封比压降低和消失,而且可以通过外加驱动力对其密封比压任意调整,进而改善了蝶阀密封性能,大大提高使用寿命。

设计者通过对管路系统中的工况要求研究,把三偏心金属密封蝶阀密封选择成(如图3)这一密封结构形型式。在管路系统中当三偏心蝶阀处于完全关闭状态时,由于三偏心中的β角及偏移量b使碟板在管道介质流向(阀门设计的最有利方向)压力作用下紧靠阀座,在此同时板上叠层金属片及石墨等与阀座会紧密在一起。叠层钢片可承受很高的压力,以此来确保管路系统中工况压力的要求。夹层石墨等耐高温材料在管道比压作用下与阀座紧密接触,用其微量变形对机加工精度及密封面磨损补偿,保证了系统中的密封要求。当压力不断增加时,则两密封副之间的压差也就相应不断增加,两接触密封面靠的越紧、密封效果越好。这种密封型式在工作管路系统中有着耐高温、高压及耐腐蚀、抗磨损等优良的密封性能。

2.2 使用中存在的问题研究

2.2.1 介质正面冲刷密封面

叠层密封面是由软硬叠式密封圈不锈钢片和石墨、高温橡胶纸板等叠加而成,其密封圈固定在板上,当板处于常开状态下时,管道系统中的介质对其密封面形成了正面冲刷(如图4)。三偏心蝶阀的密封形式是根据金属不锈钢片的微量变形和石墨、高温橡胶纸等软叠层对加工精度及磨损补偿来完成管道的密封。所以当阀门处于常开状态下时受到管道系统内的介质将会直接冲刷叠层密封圈上的不锈钢片和石墨、高温橡胶纸板等。密封面的冲刷将直接影响密封副之间的密封性能,从而会导致阀门的泄漏。

多层次密封圈固定在板上的结构造成管道系统中介质直接冲刷密封面。第三代多层次金属密封蝶阀将叠层密封圈固定在阀体上,使其不发生弯曲和移动,并有效避开了介质对叠层密封面的直接冲刷。板密封面采用了耐磨性能极佳的硬质合金焊条堆焊,从而提高了碟板的使用寿命,密封效果得到进一步完善(如图5)。

2.2.2反向承受压力低

一般的金属密封蝶阀为双偏心或三偏心结构,板密封几何形状常采用锥形或球形,密封副之间的弹性是通过板的径向压缩和正向介质的推力产生“俟块效应”,使密封副之间产生柔性接触而实现正向密封,而反向效果较差。因此只能在要求密封的管路中使用。三偏心金属密封蝶阀阀板密封面与阀座密封面之间的密封是靠传动装置的力矩使阀板压向阀座,当系统管道处于正流状态时,介质压力越高密封挤压越紧。管道密封效果就越好。但当管道介质逆流时随着介质压力的增大,阀板与阀座之间的压力小于介质压力时,密封面就容易泄露。

要解决这一问题,可以做如下改进。一是将阀座改成浮动式结构和偏心抛物线形式的曲面密封,可以有效地降低摩擦力矩和径向b偏心值(如图6)。在相同的工况条件下,这种结构是以往三偏心结构蝶阀偏心量的40%~60%。可以减少阀轴承受的力矩,用相同的材料和驱动力,这种三偏心双向结构蝶阀要比以往的单向蝶阀更易满足管道要求。第二,由于阀座的浮动抛物线结构使阀门处于全开状态时阀座成椭圆形状,阀门由全开到全部关闭时使阀座存在微量弹性变形力。这种结构使得阀门在反向受介质压力时可以利用阀座的弹性变形来补偿碟板及阀杆受管道介质压力所产生的微量变形,进一步提高阀门的密封性能。

2.2.3不适用小口径

金属三偏心蝶阀的叠层密封圈固定在碟板上使得碟板设计太厚。依据流量定义;单位时间内通过某一过流断面的流体的数量,即体积流量dqv等于过流断面面积dA与该断面上流速V的乘积,计算公式:dqv=vdA。当、适用在小于DN200口径时只能是改变其管道介质的流速来确保流量的不变。从受管道介质流速因素的考虑,将其叠层密封圈改装成阀座安装在阀体上,使碟板设计厚度尽量降低,增大过流断面的面积,确保实际工况要求。

未完,待续……

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