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浅谈金属硬密封调节蝶阀密封参数选择分析

现在的金属硬密封蝶阀的蝶板在关闭过程中会挤压阀体阀座密封面,出现干涉。当密封面因挤压得到足够的密封比压形成密封条件时,挤压部位会出现连续不间断的环形挤压带。运用AutoCAD绘图软件可以根据挤压带绘制干涉体,并通过对其基本形状进行的定性分析和对其截面各部分进行的测量及定量分析,为修正、验证和确定蝶阀的三偏心参数提供设计依据,以便蝶阀最终获得良好的密封条件。

良好的密封条件在密封时会产生良好的挤压带,它的干涉体应符合以下几个条:

1)干涉体是连续不间断的圆环;
2)干涉体圆环的宽度一致且无缺口;
3)干涉体圆环挤压深度基本一致,其最大值和最小值之差为0.03~0.05mm;
4)干涉体截面各点挤压的增量与蝶板过关闭度数的增量基本成正比,密封面的磨损能得到有效自我补偿;
5)开启蝶阀,逆时针旋转蝶板微小角度,阀体蝶板密封面就脱离接触,不会出现干涉现象。

1 干涉体的创建和分析

1.1 绘制密封副

三偏心调节蝶阀密封副是一偏心锥面。图1是圆锥角度为2θ、圆锥高度为av的正圆锥体。令蝶板回转线与阀体通道轴线呈β偏角(取β=θ),将锥体绕a点顺时针旋转β角,使圆锥母线ae与x轴平行。

在ae线段上截取b,c两点,使ab=H,bc=L(L为阀体密封面宽度),过b,c点作平行于y轴的平面切割正圆锥曲面,分别交ae母线于b,c点,交af母线于n,m点,得bcmn圆锥曲面环,此即为阀体阀座密封面。线段nb为阀体锥形密封面小端的椭圆截面长轴A。绕长轴A将截面旋转90°,可得到椭圆短轴B垂直于长轴A并与长轴A相交于椭圆族中轴线g点。

过d点按设定尺寸取db作nb平行线交于正圆锥中轴线于h点得阀体垂直中心线hd。过蝶板旋转中心o点(阀杆中心点),取ho等于径向偏心距e,作ae平行线得阀杆水平中心线。

图1 蝶阀密封副

经推算,当θ=β时,可以得出各相关参数。

式中:B为阀体锥形密封面小端截面椭圆短轴,mm;K为圆锥高度,mm;A为阀体锥形密封面小端截面椭圆长轴,mm,

H为圆锥顶点到阀体阀座最小截面距离,mm,

H=Kcosθ

取θ=β=9°,则A=1.0128×B,K=3.156×B。

1.2 创建密封副

取PN=2.5MPa,DN=800mm的三偏心蝶阀为分析样本。令阀体阀座密封面小端短轴B=770mm,阀座密封面宽度L=36mm,蝶板密封面宽度为h=8mm。

取轴向偏心b=62mm,径向偏心e=12mm,圆锥半角θ与轴偏角β均为9°。

按上述条件绘出三偏心蝶阀密封副简图,见图2。

图2 DN800密封副简图

1.3 创建干涉体

将阀体蝶板置于白色图层,新建干涉体红色图层。以o点为圆心顺时针旋转蝶板0.01°,检测出刚体之间有干涉,创建出环形干涉体。向下移动UCS原点至蝶板中线,取环形干涉体中性截面,旋转90°(见图3),其中椭圆截面短轴与杆同方向。向左移动UCS原点至阀体中心,分别过原点作x轴、y轴与截面周边相交,此时可分别测出上下左右4点位的挤压量。此挤压量即为金属密封面挤压的深度。

图3 环形干涉体中性截面

依次递增蝶板顺时针旋转角度,得出数组相对应的干涉体中性截面上下左右各点挤压量(见表1)。

表1 中性截面挤压量mm

1.4 阀体密封面必需的挤压量

阀体密封面堆焊507Mo,密封面宽度为8mm。由胡克定律Δl=Pl/EA。不锈钢弹性模量E=2.06×105MPa,P/A=qMF,按文献[1],合金钢密封面调节阀的密封比压qMF=19MPa。阀体壁厚取Lmax=20mm,计算得挤压量力0.002mm。说明密封面压缩0.002mm,即可满足密封条件。而实际加工所产生的形位误差造成的间隙较大。在阀门关闭过程先压缩局部密封面,消除加工间隙,才能进入密封压缩,得到必需的比压。实际关闭过程中,估计密封面受到0.01~0.03mm的压缩,或更大,视加工精度而定。

1.5 干涉体分析

1)蝶阀在开启或关闭过程中没有出现任何干涉。

2)干涉体环形带是连续不间断的,宽度基本一致。

3)蝶板过关闭0.01°时,干涉体中性截面各点挤压量在0.012mm以内,但密封面尚未得到必须比压,不能形成有效密封条件。

蝶板过关闭0.02°时,干涉体中性截面左右2点及其周边金属得到了充分挤压,但上下2点的挤压量仅为0.0007mm,多层次密封圈中的聚四氟乙烯、石墨材料等软性材料在受挤压后填满其周边部位至整圈挤压带中所有的微量间隙,并和不锈钢片组合成复合密封材料,创建了迷宫式的密封条件。此密封条件只能达到暂时密封。

蝶板过关闭0.1°时,干涉体中性截面左右2点和上下2点的挤压量不同,差值达0.12mm。蝶阀在反复启闭过程中,密封面左右2点及其周边部位由于挤压甚至过量挤压导致金属磨损较快,但可以运用过关闭维持挤压量。而密封面上下2点及其周边部位微量挤压磨损较慢,但挤压量得不到有效的自我补偿。

分析可知三偏心多层次密封蝶板密封圈的密封性能可满足中低压蝶阀的密封要求,但是多层次密封圈的结构不具备单一金属的刚度和耐磨性,其密封面截面周边挤压量差值较大,使其在高压密封性能上面临挑战。当蝶阀为达到高压密封加大过关闭度数时,会出现多层次密封圈金属片左右区域因挤压过量而弯曲变形。在开启蝶阀时,其径向反弹力会沿阀座的径向方向胀开,增大密封圈与阀座间的摩擦力,使得蝶阀开启力矩增大,甚至出现卡死现象。

2 干涉体的缺陷和消除

三偏心蝶阀参数选择不当,不但会影响挤压带的完整性,达不到密封条件,还会在开启过程中密封面和阀座产生干涉,使蝶阀不能正常运行。

2.1 创建密封副

取PN=2.5MPa,DN=200mm的三偏心蝶阀为分析样本。令阀体椭圆密封面短轴B=185mm,阀座密封面宽度为18mm,蝶板密封面宽度为6mm。轴向偏心b=22mm,径向偏心e=6mm,圆锥半角θ与轴偏角β均为9°,绘出密封副简图(见图4)。

图4 DN200密封副简图

2.2 检测干涉体缺陷

1)蝶阀过关闭0.1°时,仍可检测到干涉体挤压带有缺口,不能形成连续圆环,达不到密封条件。

2)蝶板开启0.1°时,可在阀杆方向右侧检测到2块干涉区。干涉区随阀门开度逐渐缩小,它的存在使密封面在蝶阀开启过程中一直处于摩擦和磨损中。

2.3 修正参数

修正蝶阀的三偏心参数,可以消除干涉体上出现的缺陷,获得良好的密封条件。如扩大径向偏心e和圆锥半角θ的取值,以及减小轴向偏心b的取值都可以消除缺陷(见表2),其中增大θ角度的效果最佳。径向偏心e的扩大受到阀体毛坯的限制,同时又使蝶阀开启力矩增大,轴向偏心b的缩小受到阀杆直径和蝶板装配关系的约束。而θ圆锥角的改变则缩小了通用工装的适用范围,还有可能使密封面加工时与筒体内壁相干涉,而不得不增大阀体内腔直径或减小流通直径。

表2 三偏心蝶阀参数

3 结语

1)运用AutoCAD绘图软件检测密封面干涉快速便捷,精度高,可以为修正、验证和确定蝶阀的三偏心参数提供设计依据。
2)增大径向偏心e和圆锥角θ,或减小轴向偏心b均可以消除密封面上金属挤压带干涉体的缺陷,创建良好的密封条件。
3)三偏心多层次金属硬密封蝶阀优势显著,但密封面磨损后,自我补偿能力是有限的。

参考文献:

[1] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,1995.
[2] 李静娟,闫洪奎.金属硬密封蝶阀密封副干涉计算[J].阀门,1996(4):224.
[3] 梁 瑞,姜 峰,俞树荣.三偏心结构蝶阀金属密封副干涉几何学分析[J].流体机械,2003(5):22224.