您的当前位置:华林调节阀网>>调节阀论文>>调节阀设计>>关于高性能蝶阀密封结构的设计

关于高性能蝶阀密封结构的设计

1 介绍

电子式高性能调节蝶阀(HighPerformanceButterflyValve-HPBFV)是20世纪60年代中期随着聚四氟乙烯作为阀座材料在蝶阀中的使用而产生的,并被列入美国石油协会标准(API609双法兰式、凸耳式和对夹式蝶阀)。高性能蝶阀一般为双偏心、球面密封结构,阀座采用PTFE/RPTFE(聚四氟乙烯/增强聚四氟乙烯)材质,较橡胶密封蝶阀具有摩擦系数小、扭矩小、寿命长、可在管路终端安装使用等优点,可以用于工作压力600lb(11MPa),温度230℃,具有腐蚀性介质的管路上,实现调节阀的双向密封和切断介质或调节流量,用途十分广泛。

2 设计要点

2.1 密封圈材质

聚四氟乙烯材质具有适用温度范围广、耐腐蚀性能优异、摩擦系数小和塑性好等优点,是高性能蝶阀密封圈常使用的材质。但相对来说其材质机械强度低、耐磨性差、刚度差和导热性差等缺点一般也会加以考虑,不过聚四氟乙烯材质在载荷作用下的“冷流倾向”往往会被忽视。高性能蝶阀在现场使用一段时间后,由于“冷流倾向”从而导致密封圈的永久变形(类似于塑性材料的屈服现象)。为防止这类现象的发生,应严格执行聚四氟材质的压力-温度额定值(表1),或采用具有填充材料的聚四氟乙烯材质。

表1 PTFE或RPTFE阀座最小压力-温度额定值MPa

2.2 密封圈结构

图1 介质正向流动

图2 介质反向流动

高性能蝶阀的密封圈应设计成使介质压力有利于密封的结构。当无压力时,阀杆传递过来的扭矩使蝶板与密封圈间产生足够的密封比压,使阀门密封。当受到管道中正向介质压力(图1)时,能借助管路中的介质压力使密封圈紧紧压在蝶板密封面上,使密封性能更加可靠。当介质反向流动时(图2),介质压力作用在密封圈的另一侧,密封圈将反向变形,压向蝶板密封圈形成密封比压阻止介质泄漏。

2.3 护板的紧固

对于高性能蝶阀,护板及护板螺钉应设计成当两端法兰被移走时足以承受最大压差力额定值。护板螺钉的载荷校核按如下规定。因密封圈选用聚四氟乙烯材质,使用温度不超过200℃,对螺钉的载荷只需按常温工况进行校核即可。

常温时螺钉的计算载荷QLZ取(Qyj+XQg)与(QDF+Qg)两者中的较大值。

式中

Qyj———无介质时,紧密连接所需的预紧力
Qg———螺栓的工作载荷,N
QDF———有介质时,垫片上的密封力,N
X———螺栓的外载荷系数(X=0.2~0.3)

护板用螺钉应采用应变硬化不锈钢螺钉材料,并根据相关标准(如ASTM A193)的规定使用。另外,护板紧定螺钉应凹进或低于护板表面。

2.4 阀门扭矩

扭矩小是高性能蝶阀的一大特点,高性能蝶阀阀杆扭矩可由近似计算得出。

式中

MD———蝶阀阀杆扭矩,N•mm

MM———密封面间摩擦力矩,N•mm

qM———密封面必须比压,MPa

R———蝶板半径,mm

bM———密封面接触宽度,mm

fM———密封面间摩擦系数

h———阀杆与蝶板中心的偏心距,mm

Mc———阀杆轴承摩擦力矩,N•mm

Mc=QcfcdF/2

Qc———作用在阀杆轴承上的载荷,N

fc———轴承摩擦系数

dF———阀杆直径,mm

MT———密封填料的摩擦力矩,N•mm

MT=QT•dF/2

QT———阀杆与填料的摩擦力,N

QT= ϕdFbT

ϕ———系数

bT———填料深度,mm

p——计算压力,MPa

受加工工艺及材质选用等因素的影响,阀杆实际扭矩与计算扭矩口径小于NPS12时略有差别,口径大于等于NPS12时扭矩差别较大(表2)。

表2 高性能蝶阀扭矩对比表

注:①江南阀门有限公司产品数据。②国外某公司产品(样本)。

另外,阀门最大和最小扭矩差值较大,分析其主要原因是阀杆、密封圈或蝶板加工精度及光洁度不够、阀杆与阀体通孔同轴度低或填料压盖的螺栓预紧力不相均衡。经实践证明,可采用改进阀门加工工艺和提高零件精度等措施,保证阀门具有相应统一的阀门扭矩。①严格控制阀杆及填料函的加工精度及粗糙度。为保证阀杆的密封要求,阀杆与填料接触面积的表面粗糙度Ra值为018μm,填料函表面粗糙度Ra值为312μm或更光滑。对于阀杆及填料函表面光洁度的问题,现在国内很多企业都没有足够的认识和重视。阀杆及填料函表面光洁度不够,容易导致填料的磨损,填料的磨损又会使阀杆在动作过程中表面光洁度降低,形成恶性循环。长此以往,不仅增大了填料与阀杆间的摩擦力,而且容易导致介质从填料处发生外漏。②严格控制密封圈和蝶板的加工精度及光洁度。③为保证阀体与阀杆配合面的同轴度,阀体上下通孔应一刀加工。

改进后,阀门最大最小扭矩波动变小,一般可以控制在10%左右。

3 防火、防静电、防射出结构

随着蝶阀在控制工艺过程中的使用,对处理碳氢化合物以及石油、石油化工、化学工业中易燃介质的高性能蝶阀提出了防火及防静电的要求,另外在很多场合也提出了当管道异常升压时阀杆防射出的要求。

防火型的高性能蝶阀用在要求发生火情环境下仍能可靠密封的场合。正常工作时,弹性阀座与蝶板接触并保持密封。当发生火情时,一旦四氟密封圈被烧毁或软化,金属层在介质压力作用下推向蝶板仍能起到密封作用。待灾情解除后再予修复或更换。着火时,允许阀座、阀盖或阀杆有少量的泄漏。

设计符合API607、API6FA耐火试验的规定。

当用户提出防静电要求时,阀门应设计静电连通结构。蝶板与阀杆之间以及阀杆与阀体之间形成静电通道。这样,因摩擦而产生的静电便通过阀杆传到阀体,从而通过管道与地接触,消除静电积累。

按照API609中对高性能蝶阀提出了阀杆需设置防射出机构的要求,当阀杆同蝶板连接处或阀杆内部出现损坏时,由于内压作用,阀杆任何部分不致从阀门射出。此设计不应依赖于驱动装置(如齿轮箱、驱动器、把手等)限制阀杆射出。

4 结语

高性能蝶阀具有体积小,质量轻,操作方便,操作力矩小、双向密封、密封和调节性能好等优点。目前高性能蝶阀向防火型、智能型方向的快速发展,将会给高性能蝶阀的应用开拓更为宽广的领域。

参考文献

[1] 章华友,晏泽荣,陈元芳,等.球阀设计与选用〔M〕.北京:北京科学技术出版社,1994:123-128.
[2] API609-2004,双法兰式、凸耳式和对夹式蝶阀〔S〕.