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蝶阀的发展历史_支耳式蝶阀使用的工况

  30 年代,美国人发明了蝶阀, 50 年代蝶传入日本,而蝶阀在我国推广则是 70 年代后的事了。目前世界上在 DN300 毫米以上的蝶阀已逐渐代替了闸阀。蝶阀与闸阀相比具有开闭时间短,操作为矩小,安装空间小和重量轻的优点。

  作为阀门中的一个“大家族”,蝶阀在我国的应用范围正在不断扩大,需求量年年增长,越来越受到重视。本文就蝶阀的结构、性能和基本知识做一介绍,对蝶阀未来的发展方向做简要综述。

第一部分 走近蝶阀

  蝶阀自发明以来,被越来越广泛的应用于生活、工作的各个领域,发挥着不可替代的作用。从中心密封蝶阀到单偏心密封蝶阀再到双偏心密封蝶阀,最后是现在被广泛应用的三偏心密封蝶阀。蝶阀技术的历史传承印证了蝶阀技术的不断进步。

  一、蝶阀的基本知识

  蝶阀启闭件是一个圆盘形的蝶板,在阀体内绕其自身的轴线旋转,从而达到启闭或调节。蝶阀全开到全关通常小于 900 ,蝶阀和蝶杆本身没有自锁有力,为了蝶板的定位,要在阀杆上加装蜗轮减速器。采用蜗轮减速器,不仅可以使蝶板具有自锁能力,使蝶板停止在任意位置上,还能改善阀门的操作性能。

  工业专用蝶阀的特点是能耐高温,适用压力范围也较高,阀门公称通径大,阀体采用碳钢制造,阀板的密封圈采用金属环代替橡胶环。大型高温蝶阀采用钢板焊接制造,主要用于高温介质的烟风道和煤气管道。

  (一)蝶阀的优点如下:

  1 、启闭方便迅速、省力、流体阻力小,可以经常操作。

  2 、结构简单,体积小,重量轻。

  3 、可以运送泥浆,在管道口积存液体最少。

  4 、低压下,可以实现良好的密封。

  5 、调节性能好。

  (二)蝶阀的缺点如下:

  1 、使用压力和工作温度范围小。

  2 、密封性较差。

  (三)蝶阀的安装与维护应注意以下事项:

  在安装时,阀瓣要停在关闭的位置上;

  开启位置应按蝶板的旋转角度来确定;

  带有旁通阀的蝶阀,开启前应先打开旁通阀;

  应按制造厂的安装说明书进行安装,重量大的蝶阀,应设置牢固的基础。

  二、蝶阀的分类

  蝶阀按结构形式可分为偏置板式、垂直板式、斜板式和杠杆式。按密封形式可分为较密封型和硬密封型两种。软密封型一般采用橡胶环密封,硬密封型通常采用金属环密封。

  按连接型式可分为法兰连接和对夹式连接;按传动方式可分为手动、齿轮传动、气动、液动和电动几种。

  (一)按结构形式分类

  1 、中心密封蝶阀

  2 、单偏心密封煤阀

  3 、双偏心密封蝶阀

  4 、三偏心密封蝶阀

  (二)按密封面材质分类

  1 、软密封蝶阀。

  ( 1 )密封副由非金属软质材料对非金属软质材料构成。

  ( 2 )密封副由金属硬质材料对非金属软质材料构成。

  2 、金属硬密封蝶阀。密封副由金属硬质材料对金属硬质材料构成。

  (三)按密封形式分类

  1 、强制密封蝶阀

  ( 1 )弹性密封蝶阀。密封比压由阀门关闭时阀板挤压阀座,阀座或阀板的弹性产生。

  ( 2 )外加转矩密封蝶阀。密封比压由外加于阀门轴上的转矩产生。

  2 、充压密封蝶阀。密封比压由阀座或阀板上的弹件密封元件充压产生。

  3 、自动密封蝶阀。密封比压由介质压力自动产生。

  (四)按工作压力分类

  1 、真空蝶阀。工作压力低于标堆大气压的蝶阀。

  2 、低压蝶阀。公称压力 PN < 1.6MPa 的蝶阀。

  3 、中压蝶阀。公称压力 PN 为 2.5MPa-6.4MPa 的蝶阀。

  4 、高压蝶阀。公称压力 PN 为 10.0MPa-80.0MPa 的蝶阀。

  5 、超高压蝶阀。公称压力 PN > 100MPa 的蝶阀。

  (五)按工作温度分类

  1 、高温蝶阀。 t > 450 ℃ 的蝶阀

  2 、中温蝶阀。 120 ℃ < t < 450 ℃ 的蝶阀

  3 、常温蝶阀。 -40 ℃ < t <; 120 ℃ 的蝶阀

  4 、低温蝶阀。 -100 ℃ < t < -40 ℃ 的蝶阀

  5 、超低温蝶阀。 t < -100 ℃ 的蝶阀

  (六)按连接方式分类

  1 、对夹式蝶阀。

  2 、法兰式蝶阀。

  3 、支耳式蝶阀。

  4 、焊接式蝶阀。

第二部分 偏心密封蝶阀及其它阀门的基本知识

  蝶阀的家族可谓庞大,单就偏心密封蝶阀来说,就可以分为各种不同的种类。下面着重介绍印证蝶阀发展史的单偏心密封蝶阀、双偏心密封蝶阀以及三偏心密封蝶阀。另外,对于法兰蝶阀和弹性金属硬密封蝶阀的特点也有一定的介绍。

  一、单偏心密封蝶阀特点

为解决同心蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题、由此产生了单偏心蝶阀、其结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板中心、从而使蝶板上下端不再成为回转轴心、分散、减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压。但由于单偏心构造在阀门的整个开关过程中蝶板与阀座的刮擦现象并未消失、在应用范围上和同心蝶阀大同小异、故采用不多。单偏心密封蝶阀具有以下几个特点:

  1 .具有性能可靠,寿命长久的密封结构。

  2 .具有流阻小,刚性好,压力损失小的桁架式结构。

  3 .阀板密封圈易于更换,便于维修。

  4 .阀板密封圈采用“ T ”形结构,密封副呈线性密封。

  5 .阀门底端采用双金属止推垫片,止推性能优良。

  6 .阀门既可立式安装,也可卧式安装,适用性好。

  7 .该类阀门推荐单向使用,在反向密封要求不严格时,可双向使用。

  8 .阀门完全关闭时,密封试验泄漏量为零。

  9 .更换阀板密封圈、 O 形圈、阀体、阀板、转轴等材质,可适用多种介质和不同温度。

  二、双偏心密封蝶阀特点

  在单偏心蝶阀的基础上进一步改良成型的就是目前应用最广泛的双偏心蝶阀。其结构特征为在阀杆轴心既偏离蝶板中心、也偏离本体中心。双偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅即脱离阀座、大幅度地消除了蝶板与阀座的不必要的过度挤压、刮擦现象、减轻了开启阻距、降低了磨损、提高了阀座寿命。刮擦的大幅度降低、同时还使得双偏心蝶阀也可以采用金属阀座、提高了蝶阀在高温领域的应用。但因为其密封原理属位置密封构造、即蝶板与阀座的密封面为线接触、通过蝶板挤压阀座所造成的弹性变形产生密封效果、故对关闭位置要求很高(特别是金属阀座)、承压能力低、这就是为什么传统上人们认为蝶阀不耐高压、泄漏量大的原因。

  其特点如下:

  1. 采用全流量设计,不受杂质卡阻影响,两端的联体“ O ” 型密封线使管道安装无须垫片而保持可靠密封,并可根据不同使用要求选用不同材质。

  2. 蝶板材料采用流线型设计,可双向使用,流阻小,流量特性优异。

  3. 轴销采用退销结构,可将蝶板阀杆紧密结合在一起,不致削弱轴的强度且具有良好的互换性。

  4. 阀体连接可适用于 ANSI125/150 , DIN2501 PN10/16 , JISB2210 10K , JIS G5527 7.5K 标准。

  三、三偏心密封蝶阀的特点

  三偏心蝶阀自问世以来,为满足日益严酷的工况要求,其本身也经历着自我完善和不断发展的过程。即便要求最高的零泄漏,三偏心蝶阀理论上都可以做到,但实际上其还是要依赖于周密的设计,精密的制造。以世界著名的巴蝶阀门株式会社为例,该公司在吸取、总结其他品牌三偏心蝶阀的长短处的基础上,推出了三偏心蝶阀 Tritec ,其特点如下 ∶

  (一) API 规格

  众所周知, API609 事实上 已成为工业重要管线上用阀门的国际规格。而 Tritec 正是全面严格按照 API609 规格的 1997 年最新版设计,制造的。三偏心蝶阀的基本设计不仅仅局限于 API 一个规格, 而是 BS5155 ANSI B 16.34 , ASME SEC VIII 等各大规格都能对应,这保证了三偏心蝶阀在所有的工业领域都有用武之地。

  (二)双重安全构造

  三偏心蝶阀严格按照 API609 的规格要求,为防止因受流体压力、温度的影响而引起的蝶板变形、阀杆错位、密封面咬合等现象的发生,在蝶板上下侧分别装有两个各自独立的止推环,从而保证了阀门在任何工况下都能正常工作;

  同时,为防止未知原因所引起的阀杆破损、飞出而造成的突发事故,在阀门下端内外两处设计了各自独立的阀杆飞出防止机构。

  (三)无死区设计

  在设计过程中,特别考虑了在调控领域中的应用问题,充分利用三偏心蝶阀的密封原理,做到了阀门开关时蝶板不刮擦阀座,阀杆的扭矩通过蝶板直接传递至密封面,也就是说蝶板与阀座间几乎无磨擦现象发生,从而杜绝了打开普通阀门时所常见的跳跃现象,根除了阀门的低开度范围内因磨擦等各种不安定因素而造成的调控不能现象,即根除了死区(不感带)。这意味着三偏心蝶阀几乎可以从 0 开度开始即进入可调控区域,直至 90 开度,其正常调控比是一般蝶阀的 2 倍以上,调控比最高可高达 100:1 以上。这为三偏心蝶阀作为调控阀使用创造了良好的条件,特别是在大口径时,截止阀的成本极高,另外,截止阀无法实现零泄漏,在需要紧急关断的工况中,必须在截止阀的旁侧加装关断阀,而三偏心蝶阀集调控与关断于一身,其经济效益是极其可观的。

  (四)本体阀座构造

  三偏心蝶阀的阀座安装构造有两种,大多数是为图方便而安装在蝶板上,但三偏心蝶阀则采用了本体阀座构造,将阀座安装在本体上。其优点是与蝶板阀座相比,大大减少了阀座直接接触介质的机会,从而降低了阀座受冲蚀的程度,延长了阀座的使用寿命。

  (五)薄层片阀座结构

  阀座由不锈钢薄片与石墨薄片层叠而成,这种结构可以有效地防止介质中的微小固形物的影响和热膨胀所可能引起的密封面咬合,即使出现微小的损伤,也不会产生泄漏,而这对于双偏心蝶阀来说是不可想像的。

  (六)可更换式密封副

  密封副可谓独树一帜,不但本体阀座可以更换,而且由于蝶板密封面与蝶板是独立的,蝶板密封面也可以更换,也就是说当蝶板密封面受损时,不必再兴师动众地运回制造厂或大举分解阀门,只需调换蝶板密封面即可,这不但大大降低了保养成本,还大大减少了维修工时和检修强度与难度。

  (七)均衡固定结构

  从三偏心蝶阀的密封面形状特点出发,密封副固定方式采用了螺栓椭圆形分布固定,不但定位精确,而且还使每个螺栓都均衡受力,杜绝了因应力分布不均而产生的密封副松动,泄漏。

  (八)本质耐火构造

  很多阀门都声称具有耐火构造,但其中极大部分阀门为了减少泄漏量而采用了软硬双重阀座构造,其实这很危险。因为火灾时软密封阀座的不完全燃烧会使金属支持阀座产生应力,温差变形,从而导致耐火机能失灵。所以,目前欧美正在逐渐排除这类名不副实的耐火阀。 Tritrc 因为是零泄漏,所以不需要软密封的介助,属名副其实的本质耐火构造,并获有 API607 , API6FA 和 BS6755Part2 的耐火检验合格认可证书。这保证了 Tritec 可以被应用于石油,石化等各种危险区域。

  (九)高密封填料构造

  在阀门的泄漏问题上,传统上往往都集中于阀座的泄漏,即内漏,而忽略了填料部的泄漏,即外漏。而实际上,在目前环境问题被日益重视的当代社会,外漏危害性远大于内漏已成为不争的事实。三偏心蝶阀属回转型阀门,其阀杆动作仅为 90 °回转,这与闸阀,截止阀等阀杆动作为螺旋多回转往复运动相比,其填料部所受磨损程度很低,相对地使用寿命很长,更由于 Tritec 在填料密封等防止外部泄漏构造上,采取了最高标准设计,从而可以在按照 EPA21 规格下进行外部泄漏测试时,标准密封性能保证在 100ppm 以下。而实际上,在现有的测试成绩中,在劳埃德的监测情况下,外部泄漏值低至 7ppm 。这些指标都意味着 Tritec 可以在化工等各种领域中的有毒,有害介质管线中大显身手。

  四、法兰式蝶阀的特点

  法兰蝶阀引进了自密封设计理念,其中阀瓣与阀轴的连接采用了专利设计退拔销结构。该阀门的主要特点是密封可靠,可双向密封,并且连接紧密,不致松动,使阀门使用长久。其特点如下:

  (一)双向密封

  通常传统蝶阀,由于其结构上的原因,在反方向(不利于密封方向)工作压力下,不能很好的密封,目前国家相关标准也未有双向密封的强制规定。这是由于:

  1. 采用自密封设计理念

  阀瓣密封圈用橡胶直接以锯齿状嵌入阀瓣,无须使用压圈或螺栓固定,从而避免了采用传统螺栓压板型密封而导致的密封圈受力不均,使螺栓脱落以及密封圈过早损坏的问题。密封圈在反方向工作压力的作用下,产生自密封力,使密封比压增加,密封圈压紧阀座,反方向工作压力愈大,则自密封力也愈大,从而使密封圈与阀座结合紧密,达到双向密封的效果。

  2. 阀瓣刚性好,不易变形

  蝶阀 DN300 以上的阀瓣为双平板桁架流通式结构,流阻小,刚性好,在反方向工作压力下,不易产生变形,使密封圈不会随着阀瓣变形而脱离阀座最佳密封点,从而保证了密封圈的密封效果。

  3. 橡胶密封圈寿命长

  ( 1 )由于采用了自密封的设计理念,橡胶圈与不锈钢阀座之间的较小过盈量只是维持初始密封,故密封需要的比压是随着系统压力的增加而增加。

  ( 2 )另外,在锯齿状凹槽内留有供橡胶弹性退让的所谓“呼吸”槽,使橡胶在受到压力时有一定的伸缩空间,这样在长期工作中就不致于产生弹性疲乏,故密封圈的寿命较传统型式大大增加。

  (二)专利设计退拔销结构

  通常蝶阀在使用过程中,由于采用传统销连接,销从阀轴中心穿过,不仅降低了阀轴的强度,而且在长期使用过程中与阀轴之间产生间隙,从而在开关阀门时产生冲击载荷,这种载荷远远大于正常情况下挤压应力和剪切应力所产生的载荷,常常在使用过程中发生销严重变形或断裂的现象,使阀门关闭不严或失效,并且大大降低了阀门的使用寿命。若新生产的阀门采用了美国专利设计退拔销结构取代轴与阀瓣间的销连接结构,退拔销不穿过阀轴的中心,不仅不会削弱轴的强度,而且还与阀轴的贴合面大大增加,通过拧紧退拔销螺母,使退拔销和阀轴结合面间产生预紧力,从而使阀瓣阀轴紧密结合在一起而无间隙,在开启和关闭阀门时不会产生冲击载荷,使阀瓣转动平稳,从而实现密封可靠。

  (三)独特的底部轴向调整锁紧装置设计

  在 DN300 以上规格的蝶阀中,考虑到蝶板自重密封的可靠性,在制造中通过轴向位置的精密调整及固定,使阀瓣在阀座上的位置处于最佳密封状态。对于可能在长期使用过程中引起的阀瓣下垂,也可方便进一步调整锁定,实现长期使用零泄露。

  (四)密封圈更换方便

  当密封圈需要更换时,无须拆下阀瓣,只需将阀门全开,再将操作装置中的键取出,将操作装置调至关闭状态后依然保持和主阀键联接,然后朝开启方向继续转动手轮,直至密封圈位于阀体密封面对侧即可更换密封圈。

  要达到上述独特的优越性需要精湛的工艺来保证,需花费较高的成本,但为保证阀门品质满足客户要求,提升国内同类蝶阀的技术水平,我们的产品仍应坚持采用先进的技术、精湛的工艺来制造,力争在水道用软密封蝶阀产品上能达到国际先进水平。

  五、弹性金属硬密封蝶阀的结构特点

  橡胶密封蝶阀缺点是作节流使用时,由于使用不当会产生气蚀,从而使橡胶座剥落、损伤等情况发生。为此,现在国际上又开发金属密封蝶阀,气蚀区减小,在日本近年来还开发耐气蚀、低振动、低噪声的梳齿形蝶阀。近几年我国也开发了金属密封蝶阀,弹性金属密封蝶阀是国家级重点新产品。高性能的弹性金属密封蝶阀采用了一个双偏心和一个特殊斜锥椭圆密封结构,解决了传统偏心蝶阀在启闭 0 °~ 10 °瞬间密封面仍处于滑动接触摩擦的弊病,实现蝶板在开启瞬间密封面即分离,关闭接触即密封的效果,达到延长使用寿命、密封性能最佳的目的。弹性金属密封蝶阀具有以下结构特点:

  1. 三向偏心的独特设计使密封面之间无摩擦传动,延长了阀门的使用寿命。

  2. 由扭矩产生弹性密封。

  3. 巧妙的楔形设计使阀门有越关越紧的自动密封功能,密封面之间具有补偿性、零泄漏。

  4. 体积小、重量轻、操作轻巧、便于安装。

  5. 可根据用户要求配置气动、电动装置,满足遥控和程控的需要。

  6. 更换零件材质可适用于各种介质,并可进行衬里防腐(衬 F46 、 GXPP 、 PO 等)。

  7. 连续结构多样化:对夹、法兰、对焊。

第三部分 偏心密封蝶阀的原理图及结构特征

  偏心密封蝶阀有着不同的种类,应用的领域以及各自的特点自然也不尽相同。但从根本而言,偏心密封蝶阀的基本原理却有着异曲同工之妙。

  一、单偏心密封蝶阀的工作原理图

  1 、结构特征:阀板的回转中心(即阀门轴中心)位于阀体的中心线上,且与阀板密封截面形成一个 a 尺寸偏置。

  单偏心蝶阀是阀板的回转中心在阀体的中心线上,阀板相对于密封面偏离一个距离,适宜软密封。

  2 、阀门关闭时,阀座和阀板密封面处在有相对过盈的接触状态,要达到密封主要是靠压紧密封圈使其在周边方向上膨胀产生密封比压和管道压力对阀板的力,使其达到密封,所以只能单向密封。

  3 、当阀门开启时阀板与阀座的接触到一面脱离阀座,另一面始终是沿半圆周的轴向方向的二点接触,反复启闭密封圈容易磨损,影响密封性能,更不可能实现金属密封。

  4 、从几何的角度可以很明显的看出,上图中的 x 是不存在的,反过来还有一定的过盈。

  二、双偏心密封蝶阀的工作原理图

  结构特征:

  阀板回转中心(即阀门轴中心)与阀板密封截面形成一个尺寸 a 偏置,并与阀体中心形成一个尺寸 b 偏置。

  三、三偏心密封蝶阀的工作原理图

  结构特征:

  阀板回转中心(即阀门轴中心)与阀板密封面形成一个尺寸 a 偏置,并与阀体中心形成一个 b 偏置;阀体密封面中心线与阀座中心线(即阀体中心线)形成一个角度为β的角偏置。

  四、蝶阀结构的适用环境分析

  蝶阀的蝶板安装于管道的直径方向。在蝶阀阀体圆柱形通道内,圆盘形蝶板绕着轴线旋转,旋转角度为 0 °~ 90 ° 之间,旋转到 90 °时,阀门呈全开状态。

  蝶阀结构简单、体积小、重量轻,只由少数几个零件组成。而且只需旋转 90 °即可快速启闭,操作简单,同时该阀门具有良好的流体控制特性。蝶阀处于完全开启位置时,蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力,因此通过该阀门所产生的压力降很小,故具有较好的流量控制特性。蝶阀有弹性密封和金属密封两种密封型式。弹性密封阀门,密封圈可以镶嵌在阀体上或附在蝶板周边。

  采用金属密封的阀门一般比弹性密封的阀门寿命长,但很难做到完全密封。金属密封能适应较高的工作温度,弹性密封则具有受温度限制的缺陷。

  如果要求蝶阀作为流量控制使用,主要的是要正确选择阀门的尺寸和类型。蝶阀的结构原理尤其适合制作大口径阀门。蝶阀不仅在石油、煤气、化工、水处理等一般工业上得到广泛应用,而且还应用于热电站的冷却水系统。

  常用的蝶阀有对夹式蝶阀和法兰式蝶阀两种。对夹式蝶阀是用双头螺栓将阀门连接在两管道法兰之间,法兰式蝶阀是阀门上带有法兰,用螺栓将阀门上两端法兰连接在管道法兰上。

第四部分 蝶阀的选型与应用

  偏心密封蝶阀及其他蝶阀的优点非常突出,所以被广泛的应用于生活工

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