雙偏心金屬密封蝶閥密封結構的改進設計

1 概述

雙偏心金屬密封蝶閥的兩個偏心是指蝶板的旋轉中心線與密封線的偏心和蝶板的旋轉中心線與通道中心線的偏心。閥門開啟過程中蝶板能夠瞬間與閥座脫離，消除了蝶板與閥座由于擠壓造成的刮擦現象，同時減小了啟閉扭矩，提高了密封性能。蝶閥密封副為線接觸密封，通過蝶板擠壓金屬閥座密封圈所造成的彈性變形產生密封效果。介質壓力作用時，如果閥座密封圈變形量不均勻或較小，則可能產生蝶板與閥座脫離或蝶板與閥座密封圈之間的密封比壓不足，導致密封失效，故對閥門關閉時閥座密封圈的變形控制要求很高。針對密封圈變形導致的蝶閥無法實現雙向密封的問題，對閥座密封圈結構進行了優化設計。

2 分析

雙偏心蝶閥的密封原理是當蝶板與閥座之間產生的實際密封比壓大于其必須密封比壓時，蝶閥即可實現密封。而密封比壓大小是由閥座產生的彈性變形量決定的。蝶閥的金屬密封閥座與蝶板密封處截面形狀為圓弧形（圖1）。因為介質作用在閥座上的區域僅為閥座的圓弧段，其力臂較短，彈性變形量較小，閥座與蝶板僅能在介質壓差較低時形成可靠密封。如DN250的蝶閥進行壓力試驗時，當介質流向為正向，介質壓差大于0.3MPa時，閥門即產生明顯的可見泄漏。當介質流向為反向，介質壓差大于0.8MPa時，蝶閥經過一次開關后即無法再次實現密封，閥座已產生塑性變形。

圖1 雙偏心蝶閥密封結構

對蝶閥高壓差下出現密封泄漏的問題進行分析。由于蝶板安裝在閥桿上（此時閥桿相當于簡支梁），當介質壓力正向作用在蝶板上時，蝶板所受到的力會傳遞到閥桿上，此時閥桿會產生彈性變形。同時蝶板由于介質壓力的作用也產生彈性變形，而閥座產生的彈性變形量比蝶板和閥桿共同產生的彈性變形量小，導致蝶板與閥座之間形成的密封比壓減小。當實際密封比壓小于必須密封比壓時，蝶閥無法實現密封。當介質壓力反向作用在蝶板上時，蝶板和閥桿共同產生的彈性變形量大于閥座的彈性變形量極限。此時實際密封比壓大于許用密封比壓，導致閥座產生了塑性變形。

3 改進

針對蝶閥無法用于介質壓差為中等壓力的情況，將閥座設計成具有高回彈性的結構（圖2），提高了蝶板與閥座的密封性能，即使流動介質壓力增大，也可以取得很好的密封效果。相對三偏心蝶閥該閥制作加工成本較低，經濟效益良好，具有雙向密封功能。當介質正向流動時，在介質的壓力作用下，閥座長圓弧段產生一個繞閥座根部的旋轉力矩，由于新型閥座的力臂較長，可產生較大的彈性變形，加大了與蝶板之間的貼合面積與貼合力，提高了閥座與蝶板之間的密封性能。介質壓力越大，閥座與蝶板之間產生的密封比壓越大，密封性能越好。當介質反向流動時，介質使蝶板產生彈性變形，此時蝶板壓緊閥座長圓弧段，閥座長圓弧段在蝶板和介質的壓力作用下，會繞閥座根部向前旋轉移動，閥座長圓弧段的前端會頂住端蓋溝槽，同時會產生一定的彈性變形，增大了閥座的彈性變形范圍，提高了閥座與蝶板之間的密封性能。

閥座采用可更換設計，即閥體與蝶板不變，通過更換閥座與端蓋，即可實現軟密封、金屬密封與防火結構蝶閥轉換。解決了軟密封、金屬密封、防火結構蝶閥的閥體等部件不通用的問題，降低了產品的制作成本。

4 試驗

按照GB/T4213－2008的泄漏量試驗標準要求，對試制的PN40－DN250蝶閥進行了泄漏量檢測（表1）。測試結果顯示，密封結構改進后的蝶閥能夠承受閥門的多種壓差而不產生可見泄漏，達到了設計要求。蝶閥進行了5萬次開關疲勞測試，測試后對蝶閥進行泄漏量試驗，未出現可見泄漏。蝶閥性能可靠，能夠達到工況要求。

1.閥體2.閥座3.端蓋4.蝶板

圖2 改進的蝶閥密封結構

表1 測試結果

5 結語

密封結構改進的蝶閥結構簡單，加工方便，適用性廣，經用戶使用，密封性能良好，滿足了實際生產的需要。