工业用耐高温三偏心硬密封蝶阀密封结构改进设计

廖建山,吴云荐,陈胜成

(1.中正科技阀门有限公司,浙江 温州 325105;2.永嘉宝正阀门有限公司,浙江 温州 325105;3.南方阀门科技有限公司,浙江 温州 325105)

0 引言

蝶阀是工业系统中常用的阀门类型之一，尤其在建筑暖通、水利水电行业中更是得到了广泛的应用。其具有结构简单、占用空间小、性能可靠、操作便捷和经济实用等特点，深受用户喜爱。经过多年的演变，蝶阀已发展成为具有多种结构的成熟阀门产品之一。

耐高温三偏心硬密封蝶阀(以下简称蝶阀)满足蒸汽、高温熔盐、高温导热油等高温工况的使用需求，具有优异的耐高温性能。蝶阀采用三偏心设计，具有较宽密封面，耐高压能力强，同时还可以在阀门开启的瞬间实现密封面之间的脱离，避免了密封面之间的磨损。其优异的使用性能得到了众多用户的认可，但是已有的蝶阀结构也有不足之处，其密封结构只能承受来自正向流向的介质压力，不能承受反向流向的介质压力，特别是当阀门公称口径≥600 mm时，阀门反向完全不能承受压力(打压时由于泄漏上不了压力)。

在很多工程项目的技术条款中会规定阀门应具有防止介质倒流的能力，即阀门可以正向承压，也可以在介质流向发生改变时承受反向压力。但目前已有的蝶阀密封结构并不能满足这种要求，在工作中发生介质倒流可能会对上游设备造成破坏导致经济损失，留下安全隐患。

为避免潜在的风险，以及提高蝶阀的密封性能，本文对蝶阀密封结构进行了改进设计，改进后的结构可保证阀门正、反向的可靠密封性，解决了以往蝶阀反向不能密封的问题，还具有简化蝶阀加工工艺、装配工艺的优点，提高了产品的经济性。

1 改进前蝶阀的密封结构及结构弊端

1.1 蝶阀的密封结构

图1为改进前蝶阀的密封结构，阀座圈与阀体为一体结构，在阀座圈密封处堆焊或喷涂硬质合金作为密封面；阀座圈不可移动，其通过阀门关闭时蝶板的扭矩强制使密封圈密封面贴合阀座圈密封面形成密封，当受到介质反向压力时密封性很差。

图1 改进前蝶阀的密封结构

1.2 蝶阀密封结构的弊端

(1)介质力对密封的影响较大。当阀门承压时，蝶板受介质力影响会产生微量变形，当阀门反向承压时，该微量变形使蝶板上的密封面与阀座上的密封面具有脱离的趋势；而当阀门正向承压时，蝶板的微量变形会促使密封圈靠紧阀座圈，阀门密封副具有配合更紧密的趋势。因此，会出现阀门正向承压密封良好，反向承压蝶板变形出现泄漏的情况。

蝶板形状不规则，受介质力后会产生应变不均匀的情况，导致蝶板边缘密封面变形量不均匀。图2为蝶阀结构示意图，可以看出，与阀杆轴线垂直的蝶板部位密封面变形量较大，蝶板轴孔轴线方向的两端密封面变形量较小。蝶板变形量的不同会导致阀门关闭后实际密封副接触部位不完整，变形量较小的部位有可能无接触。该结构在执行器扭矩选用偏小时会出现阀门正、反向都关闭不严密的情况。

图2 蝶阀结构示意图

(2)阀杆与轴套之间的配合间隙过大。为了保证蝶板轴孔与阀体轴孔的同轴度和位置度，三偏心蝶阀阀体和蝶板上的轴孔加工采用蝶板、密封圈组装后压入阀体，使阀门密封副压紧后再配镗轴孔。因整个轴孔较长，虽采用配镗工艺，一定程度上保证了形位公差，但是在加工时轴孔的线性尺寸还是要给一定的正公差，也就是阀杆穿入轴孔时具有一定的间隙，以保证阀杆的顺利装配。装配间隙的误差大小，决定了阀门密封承压时阀杆的稳定性，间隙较大时阀杆偏移量大，此时密封副会出现脱离的情况，导致阀门泄漏。

(3)阀门的第二偏心对反向密封性能的影响。三偏心蝶阀的第二偏心(见图2)为阀杆旋转中心偏移阀体轴线中心，此偏心用于减少蝶板与阀座间开启的摩擦力。但是由于阀杆旋转轴不在密封副中心轴线上，因此在阀门启闭的过程中会形成一个偏置扭矩。根据阀门启闭件逆时针旋转打开、顺时针旋转关闭的条件，那么此偏置扭矩在阀门承受正向压力时，阀门容易关闭难打开；在阀门承受反向压力时，阀门容易打开难关闭。

2 蝶阀密封结构的改进及密封原理

2.1 蝶阀密封结构的改进

图3为改进后的蝶阀密封结构，由阀座圈、弹簧、压环、三开环、紧定螺钉、编织石墨等组成。阀座为可移动结构，在阀座的上部装填编织石墨，由弹簧提供预紧力，形成初始密封压力，其后部装配三开环，通过螺钉固定在阀体上，并通过螺钉压紧压圈与弹簧。

图3 改进后蝶阀的密封结构

2.2 蝶阀的密封原理

改进后的阀座圈为可活动结构，在阀门承受介质正向作用力时，由于阀座圈后部被紧定螺钉顶紧，可防止阀座圈移动，保证了密封。在阀门承受介质反向作用力时，阀座圈也承受介质推力，使阀座圈具有贴紧密封圈的移动趋势。如果在阀门试压时出现泄漏，还可以通过调整三开环上的紧定螺钉进一步锁紧，推动可移动阀座圈靠向密封圈，使密封更为紧密。

2.3 改进后的阀座解决原阀座存在问题的措施

改进后的可移动阀座圈结构可有效补偿蝶板微量变形和阀杆与轴套配合的间隙值，并且可通过紧定螺钉调整补偿量的大小，以防止补偿量不够阀门依然泄漏，或补偿量过大导致的阀门扭矩过大。

增大压圈的厚度，减小密封圈周围的应变，从而减少密封圈变形不均匀的问题，使变形不均控制在一个合理范围内，使阀门在增大密封扭矩时依然能够保证密封性。

关于阀门第二偏心值导致的偏置扭矩，可在设计时适量减小第二偏心值，以有效降低蝶板偏置扭矩，使阀门反向承压更容易密封。

3 蝶阀密封结构改进后的密封效果

经实际高压密封试验，结果表明：公称口径≤1 200 mm、公称压力≤25 MPa的蝶阀可以实现反向1倍常温压力额定值(可查询ASME B16.34或GB/T 12224)下的密封性能，在更大阀门口径和更高压力下也可以实现部分压力反向承压密封性能。改进后的阀门密封结构更为合理，阀门反向承压密封性能良好，在实际使用中得到了客户良好的评价。