三偏心蝶閥的結構特點及相關設計分析

2013-07-10 龔忠華浙江三方控制閥股份有限公司

　　三偏心結構蝶閥是蝶閥發展、演化過程中最新的—種，三偏心蝶閥具有諸多優點，因而應用廣泛。文章在分析三偏心蝶閥結構基礎上，重點對三偏心金屬密封蝶閥的主要技術特征進行分析，還利用商業軟件對三偏心蝶閥的流體動力特性進行分析，得到相關有用結論。

1、引言

　　三偏心蝶閥作為一種直角旋轉閥，具有優良的關斷特性：頻繁操作條件下，長周期的循環使用壽命和良好的雙向服務功能。作為經濟各領域中成套設備的關鍵產品，大直徑、高溫、高壓三偏心金屬硬密封蝶閥是國家重點攻關新產品，本文主要就三偏心蝶閥的結構相關問題進行探討。

2、三偏心蝶閥結構概述

　　由于在雙偏心的基礎上，將閥座中心線與蝶板密封面中心線形成一個角度為α的偏置，當三偏心密封蝶閥處于完全開啟狀態時，蝶板密封面會完全脫離閥座密封面，由于α角偏置的形成會使長、短半徑的蝶板變化，蝶板密封面轉動軌跡的切線與閥座密封面形成兩個夾角。因為這兩個夾角的存在，蝶閥開啟時，蝶板密封面會在開啟的瞬間立即脫離閥座密封面;在關閉時，只有在關閉的瞬間，蝶板的密封面才會接觸并壓緊閥座密封面，從而徹底消除了蝶板啟閉時蝶板密封副兩密封面之間的機械磨損和擦傷。而在蝶閥關閉時，其密封副兩密封面之間的密封比壓可以由外加于蝶板轉軸的驅動轉矩產生，不僅消除了常規蝶閥中彈性閥座彈性材料的老化、冷流、彈性失效等原因造成的密封副兩密封面之間的密封比壓降低和消失，而且可以通過對外加驅動轉矩的改變實現對其密封比壓的任意調整，從而使三偏心密封蝶閥的密封性能和使用壽命得到大大的提高。由于三偏心金屬密封蝶閥具有諸多優點，近年來逐步應用于發電廠、鋼鐵廠、煉油廠、化工廠等，其流體介質包括蒸汽、水、油類和其他腐蝕介質等。另外，三偏心金屬密封蝶閥的參數主要有軸向偏心、徑向偏心、角偏心、蝶板錐度、蝶板密封厚度、蝶板厚度等。

3、三偏心金屬密封蝶閥的主要技術特征

　　這里分析的三偏心金屬密封蝶閥是由閥門制造廠家生產的用于變壓真空吸附制氫(VPSA)氣體分離裝置的程序控制閥，其具有以下技術特征：

　　(1)扭矩密封：徹底改變了位置密封閥中由閥座彈性提供密封比壓的方式，由外加扭矩提供密封比壓。使閥門嚴密關斷并與介質的流向、壓力無關。

　　(2)彈性金屬對金屬密封結構：彈性金屬密封圈在外加扭矩作用下，與閥座接觸，使得彈性金屬密封圈與金屬閥座之間的接觸角產生輕微變形，使得密封圈發生柔動和徑向壓縮。由于閥座與密封圈之間均勻接觸及密封圈的柔性，使閥座360°周圍均勻密封比壓，從而用最小的扭矩實現了最嚴密的關閉。

　　(3)閥門軸：閥門軸采用通桿結構，由高強度合金鋼制成。與蝶板采用雙鍵連接，錐銷固定。閥桿設計為防沖出型，以免在閥桿與閥板聯結處發生斷裂時，閥桿崩出。設計安全可靠。

　　(4)軸承和填料設計：采用四軸承結構設計，軸承采用高強度涂層自潤滑滑動軸承，支承可靠、強度高、壽命長。填料、填料壓環采用柔性石墨環設計。填料壓環采用兩件式球形接觸面結構，保證填料正向均勻壓緊。

　　(5)密封圈：密封圈外形為與閥座相配合的斜置幾何設計，由密封圈壓圈夾持在蝶板上，易于安裝和更換。密封圈徑向設計有一定的間隙量，保證密封圈合適的彈性。密封圈后斷面設計一個W形不銹鋼石墨纏繞密封圈，保證密封圈端面雙向密封。

　　(6)在比較純凈的介質中，閥門開關設計壽命可達100萬次。

　　(7)雙向泄露等級達到ANSIFCI-70-2-1991VI級。

　　(8)執行機構：標準配置為液壓驅動機構，同時可選配手動、電動、氣動或是聯合驅動機構。

4、三偏心蝶閥的流體動力特性計算分析

　　在實際工作條件下，當閥門為改變流量而開大或關小時，流體液柱動能的變化會造成管路中靜壓的瞬時變化。在液體中這種靜壓的瞬時變化常常引起管路的振動，產生像錘擊的聲音，因而得名為水擊。這種壓力的瞬時變化不是沿著整個管路同時立即發生的，而是從變化的起始點逐步擴散開的，例如，當在管路一端的閥門快速關閉時，只有閥門部位的流體分子能立即感受到閥門的關閉，然后流體分子中積聚的動能壓縮流體分子并使相鄰的管壁脹大，其部分的流體仍然以原來的速度流動，一直到整個流體平靜為止。

　　壓縮區向管路進口端擴張的速度是均勻的，并且等于管路內流體的聲速。當壓縮區到達進口管路末端時，所有流體就處于靜止狀態，但壓力高于正常靜壓。這個壓差在這時產生了一個向相反方向的流動，從而解除了靜壓的升高和管壁的脹大。當這一壓降波到達閥門時，整個流體又重新處于正常靜壓之下，但流體繼續向進口末端流動，從而在閥門處又開始產生了—個低于正常壓力的壓力波。當這個低壓的壓力波往返一周后，就恢復了正常的壓力和起始的流體流動方向。這種往返一直要重復到由于摩擦和其他原因使流體動能耗盡為止。

4.1、計算機仿真模型建立

　　為了解決三偏心蝶閥在啟閉時計算流體介質對蝶板沖擊的問題，本課題采用FLOWMASTER Ltd。公司自主開發的面向流體系統仿真的軟件平臺FLOWMASTER。其主要憑借其內置的一維流體動力系統解算器，及面向工程流體系統仿真軟件包，已經得到了航空航天、汽車、艦船、能源化工、水力漿站等工業領域越來越多的應用。

　　該裝置采用的工藝流程總共有十二個吸附塔，其中有兩個吸附塔始終處于同時進料吸附的狀態，整個吸附過程由吸附、連續八次均壓降壓、逆放、抽真空、連續八次均壓升壓和產品最終升壓等步驟組成。從整個工藝流程來看，只有吸附過程、逆放過程和抽真空過程中三偏心蝶閥有啟閉動作，其余過程三偏心蝶閥均處于關閉狀態。

4.2、仿真結果分析與討論

　　(1)從吸附過程蝶閥關閉時壓力變化的數據來看，在三偏心蝶閥關閉的整個過程中，壓力有一個明顯的上升但變化并不大，約為1bar左右。所以，雖然流體介質的壓力大，流速高體積大而密度很小，而且在閥門關閉時流體介質自身會產生體積的壓縮，難以對閥門造成很大沖擊，因此該管網模型只改變管道流體為水介質，經過軟件分析計算，在閥門關閉的瞬間，壓力升高近70%。

　　(2)單塔的壓力最大值P=40.0932bar，雙塔的壓力最大值P=40.1407bar;雙塔的壓力最大值大于單塔的壓力最大值。因為雙塔為對稱布置，當閥門關閉時，流體產生的壓力波會疊加，因此雙塔的壓力波動值大于單塔的壓力波動值，仿真計算結果也是合理的。

　　(3)從最大壓力降的時間來看，雙塔最大壓力發生在蝶板關閉約78.97°時;而單塔最大壓力發生在蝶板關閉約78.6°時，產生最大壓力的時間基本一致。當蝶板接近完全關閉時，此時流體對蝶板產生的沖擊最大，在最大壓力作用下蝶板的變形和位移也是最大的。蝶板與閥體密封面發生干涉的可能性也越大。