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高性能蝶閥的發展

在水库用地笼捕鱼技巧 www.zygzon.com.cn 來源:dqvalve.com 編輯:DQvalve

高性能蝶閥的發展
Development of High Performance Butterfly Valve

上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司
-鄔佑清-


摘要: 本文論述幾種高性能蝶閥的發展歷史,評述其密封原理、結構特征,并從啟閉力矩、密封性能、使用壽命等方面予以比較,最后指出高壓蝶閥的發展與應用。

前言

  傳統的蝶閥是中線襯膠蝶閥,蝶閥的軸線與流道的中心線垂直正交,蝶板的密封線在通過軸線中心與管道垂直的截面上,閥體上襯有特制的橡膠圈,作為密封材料,所以稱之為中線襯膠蝶閥。這種蝶閥通過回轉軸傳遞外力至蝶板上,與閥體上橡膠圈發生擠壓來達到密封的目的。因此,關閉扭矩大、密封壓力低、密封橡膠圈容易損壞,使用壽命短,一般不超過2000次。由于蝶閥的固有特性是結構緊湊,重量輕,價格低廉,仍然在不太重要的場合得到廣泛的應用。二十世紀五十年代,在工業領域中占統治地位的,就開關截斷閥而言,是長直線行程的閘閥,而就調節閥而言,是截止閥型調節閥。

1943年,美國杜邦公司PTFE四氟塑料的發明,以及車、磨球機的進步,促進球閥的發展,至1950年初,球閥克服了填塞式(Jam-Seal)密封的缺點,研制成功了介質壓力自激勵的唇式密封技術(Pressure Energize-self Lip-Seal)。工程師們希望將這一技術應用于蝶閥上。

 

1950年末期,由于航天技術的發展,結構簡單、體積小、重量輕這一蝶閥的固有特性,在空間技術中得到青睞與提升,球閥的密封技術被嫁接到蝶閥上,研制出雙向密封、低扭矩、高壓差、雙偏心軸、球面蝶板、介質壓力激勵的PTFE彈性密封閥座,這種蝶閥被命名為高性能蝶閥(High Performance Butterfly Valve,簡稱HPBV)。首先被用于美國Atlas火箭發動機的推進劑系統,基于這一成功應用,美國Jamesbury公司的工程師們開發出商業應用的高性能蝶閥,首先在1967年將產品推向市場,至二十一世紀末,已獲得三十萬臺的銷售業績,這是一次蝶閥革命性的發展。

 

稍后,一種利用截止閥錐面密封結構,將其嫁接到蝶閥上的設計構思被提出來,這就是三偏心、多層次密封件,錐形密封面結構的蝶閥,亦稱之為高性能蝶閥,最早見至于德國Adams公司樣本。應該指出,這種的蝶閥是強制密封,在操作扭矩,雙向密封性能上是遜于介質自激勵唇式密封結構的。

 

有鑒于這一不足,芬蘭NELES為滿足北歐地區,區域供熱的需要,采用三偏心錐形密封面蝶板,配以U形截面金屬密封圈,作為產品結構特征,其原理是一個斜切的錐體,在閥門90°關閉位置上,形成一個橢圓形的橫截面,將原始狀態圓形的U形圈,強制變形為一個橢圓,利用U形金屬密封圈的彈性變形能與介質壓力,使蝶閥得到滿意的密封性能。

  上述幾種結構的高性能蝶閥,可以是軟密封或金屬密封,壓力等級限于Class 150, 300至Class 600,口徑為2-1/2”~72”,在很大的程度上取代傳統的閘閥,與球閥一樣,在閥門制造業中占引領的地位。

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   蝶閥是否可以向更高壓力發展?其難點在于操作力矩更大,驅動軸更粗,蝶板更厚,影響蝶閥的流通面積,即流量系數CV值會大大降低,甚至近似于阻塞。近幾十年來,國際上很多公司作出了試探,如意大利Vanesa,Orton,有Class 600,900,1500磅級的樣本,而德國Mapag公司的高壓蝶閥可擴展到Class 2500磅級,而且仍有相當大的流量系數。 

這樣,蝶閥的規格基本上已涵蓋閥門在工業上的應用范疇,即壓力等級:Class 150至2500,通徑2”至72”。蝶閥除了固有的結構原因不可能做成全通徑(Full Bore)之外,結構最緊湊、重量最輕、體積最小、角行程回轉、便于實現自動化等優點就突顯出來,高性能球閥和高性能蝶閥的進一步發展將成為二十一世紀閥門領域的一個重要方面。并將在工業領域中得到更廣泛的應用。

 

下面將分幾節來闡述當今蝶閥的現狀與發展:1. 介質自激勵撓性變形能密封技術在蝶閥上的應用;2. 雙偏心球面蝶板蝶閥;3. 三偏心錐面蝶板層疊式密封圈蝶閥;4.第三代NELDISC的U型密封圈蝶閥;5. 高壓與超高壓蝶閥;6. 幾種高壓高性能蝶閥的性能比較。

 

 

1.  介質激勵撓性變形能密封技術在蝶閥上的應用

 

閥門按作用在密封面上的力來分類,可以分為外力強制密封,如截止閥,中線襯膠蝶閥就是藉助于外力的強制密封。另一種是利用介質的壓力差作用在密封面上,獲得可靠的密封。例如,浮動球球閥,在上、下游介

利用介質壓差的作用力的密封技術可分為兩種密封原理。一種是填塞式密封(Jam-Seal),密封座是一塊實心的PTFE四氟乙烯塑料,在介質壓差作用下引起擠壓變形,可以用虎克定律來描述:

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    式中,σ為擠壓應力,E為PTFE材料的彈性模量,ε為相對變形,L為密封材料的尺寸厚度,L為絕對變形,因為材料的E很大,所以ε很小。絕對變形也很小。這樣的密封座設計雖然是介質壓差密封,但扭矩大,抗溫度變化、壓差變化、抗磨損能力差。(圖1)

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圖1 填塞式密封座            圖2 唇式密封座結構

    我們希望密封材料像橡膠一樣,壓縮時會產生較大的變形,而當接觸應力消除后又能恢復到原來的形狀,這一現象稱之為材料的“記憶特性”,一個較好的例子是橡皮筋,可以被拉長,拉力一旦消失,就恢復原來的形狀。這就要使PTFE材料密封座的結構具有記憶特性,就是撓性密封座結構。如圖2所示。這一結構密封座裝配時有一個初始撓度,而后在介質壓差的激勵下產生一個工作撓度,這一撓曲變形值y是由材料力學中撓曲線微分方程來描述:

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式中,y是撓度,M(x)為x截面上的彎矩,E為材料彈性模量,I為抗彎截面模量。簡單的說,撓度y是材料特性、外力及密封座結構的函數??梢越傭葃設計得足夠的大來儲存彈性變性能,滿足恢復密封座初步形狀的需要,恢復其記憶特性。

 

因為密封材料是PTFE四氟塑料,不可能做成與金屬材料制造的彈簧一樣,這就需要對結構設計的密封座進行試驗,圖3為一個2”球閥的唇式密封座在介質壓差激勵下發生撓曲變形的效率曲線,區域A便是初始狀態密封座的最大變形能,B區域表示部分變形在密封力消除后的恢復,因為材料是塑料,不可能得到100%恢復,存在一個恢復的效率。這樣,我們說這一結構設計,使密封座恢復了部分記憶特性,這就是介質壓差激勵下密封座撓性變形能自密封原理。這一結構的密封座,具備扭矩小以及較好的抗壓差變化、抗溫度變化、抗磨損的能力。從圖中可以讀出,對于一個2”球閥,唇式密封座的變形恢復能力可達到1.5毫米。

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圖3  球閥唇式密封座的效率曲線

  把這一理念如何嫁接到蝶閥上來,是蝶閥設計工程師的技巧。在1960s,多種蝶閥的密封結構被提出來,如圖4 所示,是XOMOX蝶閥密封結構,圖5所示,是 Fisher蝶閥密封結構,圖6所示,是Valtek蝶閥密封結構等,但是良莠皆有,用戶需各自鑒別。

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圖4 XOMOX蝶閥閥座結構

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圖5 Fisher蝶閥閥座結構

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圖6  Valtek蝶閥閥座結構

2.  雙偏心球面蝶板蝶閥

   雙偏心球面蝶板蝶閥是球閥結構原理嫁接在蝶閥中的一種創造性發展。蝶板可以看作是球體上切出來的一部分,密封面是一個球面。球面結構的蝶板只需采用雙偏心軸即可,第一個偏心是密封線上的截面,偏離軸的回轉中心;第二個偏心是軸的回轉中心偏離流體通道的中心線。蝶板按順時針方向旋轉,使蝶板處于關閉位置,與密封座相配合;蝶板按逆時針方向旋轉,使蝶板迅速脫離密封座,減輕扭矩,減低磨損。應該提出,這里的開與關僅指將蝶板處于開的位置或置于關閉位置,并未提供密封所必須的力,如圖7所示。

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圖7 雙偏心球面蝶板

  為了保持蝶板在閥軸軸線方向上,不偏離流道中心線,在蝶板上、下應各設有一個隔離環。

   蝶板置于關閉位置后,輕微的與密封座相接觸,而后在介質壓力的激勵下,一個截面形狀特殊的,具有撓性記憶特性的用PTFE制成的密封圈貼緊球面,得到一個氣泡級的密封性能。密封圈與背面壓板的設計,無論是軸在流道的上游側,還是處于流道的下游側,均可提供氣泡級密封。

   另外應該指出,球形的密封表面與撓性閥座相匹配的關閉位置,不是唯一的在某一關閉角度(如90°位置)上,事實有一個微小的密封區域。因此,雙偏心球面蝶板關閉位置允許偏離一個很小的角度,同樣可以得到密封。這就提高了密封圈的使用壽命。

   作為一種比較,雙偏心球面蝶板蝶閥,由于密封座設計成撓性具有記憶特性功能,如果與傳統的中線蝶閥和閘閥作比較:其扭矩僅為中線蝶閥的1/3—1/2;其使用壽命從2000次增加到一百萬次,與閘閥相比較,重量僅為閘閥的1/3;體積為閘閥的1/3,90°角行程代替長距離的直線行程,從而獲得了廣泛的應用并被命名為高性能蝶閥。 

這種蝶閥的典型代表是美國Jamesbury公司,1967年進入市場的對夾式,花邊法蘭式800系列高性能蝶閥,其壓力等級與通徑范圍:Class 150, DN 2-1/2”至60”;Class 300, DN 2-1/2”至36”;Class600, DN 2-1/2”至24”。

 

閥座材料可以選用多種材料,以適應不同工況的需要,如PTFE,填充PTFE,316或20號合金或Monel與PTFE復合,用于石油工業耐腐蝕介質中,聚乙烯用于放射性介質和煙草工業,PTFE,PCTFE則用于低溫、LPG和LNG中。

 

高性能蝶閥可以用作調節閥,其固有的流量特性是等百分比流量特性,閥門的流量隨開度按固有的百分比增加。由于蝶閥的固有等百分比流量特性接近線性,實際使用中能更精確地調節流量,使系統處于穩定,減少調節過程的變化。

 

綜上所述,Jamesbury公司8000系列的高性能蝶閥具有下列優點:

1)   提供氣泡級密封的截斷功能;

2)   降低了操作扭矩,可選用較小的執行機構,降低配套成本;

3)   結構緊湊,輕型化;

4)   長的使用壽命,更適用于頻繁啟閉的工況,如吸附器的切換;

5)   90°回轉角易于實現自動化;

6)   撓性密封技術的應用,擴大了溫度的使用范圍;

7)   雙向密封;

8)   填料可采用彈簧自動加載(Living Load),滿足微泄漏的要求;

9)   成本低廉。

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高性能 蝶閥 發展

01 14年

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