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关于三偏心控制蝶阀及其衍生型式

0概述

近年来三偏心蝶阀在工业过程控制领域取代双偏心蝶阀的趋势日益明显,前者的主要优势在于:(1)密封原理更先进;(2)启闭动作更平稳;(3)密封效果改善且使用寿命延长。市场上相继出现了三偏心蝶阀的各种衍生型式,需要注意的是:其变异的意图不尽相同,所以并不是任何一种三偏心蝶阀型式都能适应某一特定的工况。笔者根据近年来在一些工况中的应用需求,对三偏心控制蝶阀各类型式的技术特点提出一些见解。

1控制阀的型式对于过程控制的意义

我所近年来主要面向工业炉窑的控制系统,典型项目为浮法玻璃退火线。其温度场使用的控制蝶阀是保证玻璃产品工序及质量重要装备。以玻璃板以一定的速度通过一个100m左右的封闭长廊来实现。这个长廊内的温度在纵向以退火工艺规范要求的梯度平稳降低,横向等温,为一个预设的一次曲面温度场。这个温度场是由不同温控范围的吸、喷气控制点组成的阵列合成的,各个控制点的实际温度与预设温度的误差≤±1.5℃。控制途径是前端的热空气与常温空气混合,以调节品质优良的蝶阀和高精度的二次表不断调控两种温度气体的混合比例,达到各节点温度的动态稳定。任何一个节点的失控或超差,都有残留应力过大甚至造成裂板的可能。要求控制阀的突出的特点为:(1)优良的流量调节品质;(2)灵敏、可靠、准确的信号响应;(3)高温介质下的良好工作性能;(4)足够的高温使用寿命。此外,空间的占据也有一定限制。

曾使用过的双偏心控制蝶阀因0°到8~12°阀板密封面与阀座密封面处于弹性接触,而之后无接触,则行程中存在着驱动力矩的突变引起阀板运行的波动,这对于气动控制响应行程精度为0.8%~0.6%的要求,在小开度范围就根本不能满足。后改用三偏心蝶阀。可见,随着控制精度的提高,调节阀结构型式的适应性的问题就将凸显,由于有了前面谈到的优越性,三偏心控制蝶阀的迅速发展是有根据、有前景的。

2三偏心蝶阀的典型构造及原理

三偏心蝶阀的典型构造如图1所示。

图1 典型三偏心蝶阀构造图

阀板以顺时针从0~90°开启时,蝶板的密封面会在开启的瞬间立即脱离阀座密封面,在其90~0°关闭时,只有在关闭的瞬间,其蝶板密封面才会接触并压紧阀座密封面。由于θ1和θ2和偏心距b的存在,其密封副两密封面的比压,由外加于阀杆的驱动力矩产生,蝶板的质心有继续紧压的运动趋势。这不仅消除了常规偏心阀门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矩的改变或控制行程的设置,实现对其密封比压的调整,使控制阀长期保持良好的工作状态。

3 三偏心控制阀的衍生演变

为了适应一些具体工况,三偏心蝶阀在相同密封原理的情况下,各厂家根据自身的设备加工能力,在构件应用及装配型式上有以下衍生,装配式结构如图2所示。

图2 装配式密封三偏心蝶阀

图2a是在图1基础上的演变,主要针对流体对于阀板的冲刷,将层叠式不锈钢片改到流速相对较低的阀体,避免了层叠式不锈钢片在流体的强烈冲刷下的急剧分层变形,有效地提高了阀门的使用寿命,但流量系数有减小。

图2b密封面采用了全刚性接触,表现出更好的抗冲刷性能,且一定程度上避免了流量系数减小的缺点,但在高温和启闭频繁的工况下,出现过紧固件松动、密封件脱落的情况,在选用时应引起注意。

图1和图2中的阀门都采用了装配式密封结构,可以利用密封件与支撑件之间的间隙,在装配时通过垫片的增减来修正加工过程中产生的误差,很大程度上提高了产品的合格率,但对于夹杂了固体颗粒介质的强冲刷,强腐蚀和超高温的工况,由于装配式密封三偏心蝶阀的的联结紧固部件难以接受热喷涂、喷焊、烧结等表面强化处理工艺,所以对于上述恶劣工况是难以承受的。

一种阀体和阀板都采用一体构件的三偏心蝶阀如图3所示。图3a是三偏心蝶阀最原始的构造,这种型式看似简单,但对加工精度要求却很苛刻,特别对轴孔尺寸较小的情况。通常将阀板与阀体装配起来镗孔,镗刀过于细长就很难保证孔的直线度,导致在装配时密封面不能还原到镗孔之前,密封切断性能就大打折扣了,所以大多数工况并不采用这种蝶阀型式。这不是说这种型式不好,而是加工过程中难以避免的误差没有调整机制,不合格品的比例会很高。

图3b是在图3a的基础上对与介质接触的所有表面进行了强化,显然其仍存在着图3a中所述的不利因素,但是这是一种可的以满足夹杂了固体颗粒介质的强冲刷,强腐蚀和超高温工况的蝶阀型式,应用的场合不多,造价高昂,国内能制造的厂家极少。

图3 整体构件式三偏心蝶阀

4 延伸研发

现有的三偏心蝶阀大多是锥状密封面,已有厂家和设计人员在密封面三维曲面化方面进行了有成效的探索,图4介绍其中的两种。

图4a的阀板密封面为倾斜一定角度截取的旋转抛物面,阀体密封面为正圆环状,截面为圆环带缺口以形成适当的弹性,实质上不具备三偏心蝶阀密封面所有的面接触密封特性,但弹性密封有一定的反向密封性能,对制造精度误差的包容较好,但并不能满足高精度的控制要求。

图4b为与国内某专利相似的构造,密封面为一椭球面,其优点有:1.可以制成流量系数大于其他蝶阀的产品;2.阀板密封面与阀板开启/关闭的运动轨迹吻合程度高,动作平稳,调节品质好;3.与锥状密封面可能在压力下越压越紧,开启难度增加的情况不同,其关闭位置是唯一的,即使是磨损,其接触面亦很均衡,不会使设定行程产生明显变化。此外,其强化潜力与图3a相同,且适合在更高的压力下工作,甚至在某些情况下可以代替球阀使用。影响此种蝶阀推广的主要原因是制造难度太大,市场需求方面的动力也不够充分。
近来,在CAD的支持下,偏心密封原理的演变应用非常活跃,已经有人尝试将其应用于球阀,即所谓“万能控制阀”,只要制造工艺上有所突破,则可能使这些构想转化为生产力,要形成实质上的技术竞争力,还有赖于市场需求观念的提升。

图4 曲面密封副的三偏心蝶阀

5结语

三偏心控制蝶阀由于密封原理和结构上的优势,在高精度的过程控制中,需求在迅速增加。能够形成一定生产能力的三偏心控制蝶阀产品以装配式密封结构型式为主,除阀门的构造上本身存在的局限外,国内市场将产品向精品方向提升的推动不足,造成不少企业在产品
的研发和工艺改进方面投入不够,此类产品只能在生存于中低端市场。本文所列举的三偏心控制蝶阀型式,是同行们工作的实绩,已能满足相当范围控制工况的需要,可在选型时根据具体情况参考。

业内技术人员的努力是显而易见的,但设计研究上的工作成果尚需要转化为实质上的技术进步,一方面高端产品的用户其注意力总是投向国外,另一方面,国内研发设计、制造工艺、材料、表面强化、测试等方面的技术人才并没有积聚成一股合力来解决生产一流的控制蝶阀所要面对的一系列问题,较先进的结构型式也就不易破茧而出。我们也看到已经出现的有灵气的设计方案,似乎更艰巨的工作是要在用户接受的成本下,有更合理,更先进的工艺方法来实施这些方案。

参考文献

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[2]陆培文.实用阀门设计手册[M].机械工业出版社,2004年5月