符合標準的雙向硬密封蝶閥

摘 要：介紹了三偏心雙向硬密封蝶閥的在設計開發(fā)過程中，承壓件、控壓件強度、剛度對密封性能的重要影響;在設計開發(fā)過程中借助以往同類產品設計經驗，和在使用過程中密封存在的實際問題，采取有效的改進措施，應用于此次高溫、高壓32" 900lb雙向硬密封蝶閥設計開發(fā)過程，。在制造過程中，從嚴格執(zhí)行工藝紀律著手，使本樣機裝配完工后，經過試壓，一次密封合格率達到100%，為后續(xù)特殊工況硬密封蝶閥系列產品的開發(fā)工作奠定了堅實的基礎。

關鍵詞：雙向密封蝶閥;壓力試驗;密封試驗;蝶板承載能力試驗;0泄漏

1、概述

蝶閥是現(xiàn)代石油、化工等工業(yè)領域中應用廣泛的一種重要的流體控制設備和壓力管道元件，具有適用范圍廣、流通能力大、結構簡單、重量輕、安裝方便、啟閉迅速等優(yōu)點，特別是雙向硬密封蝶閥，具有耐溫高、密封性好、使用壽命長等優(yōu)勢，在水系統(tǒng)、氣系統(tǒng)得到廣泛應用，具體體現(xiàn)在：火力發(fā)電廠、核電站各種供水系統(tǒng)、熱力管網及污水處理系統(tǒng)、市政工程的給排水系統(tǒng)、水電站大型水輪機的進水系統(tǒng)，以及電力、石油、化工、冶金、建材、船舶、造紙、紡織、城市燃氣、上下水系統(tǒng)、食品行業(yè)、原子能和國防等工程中許多場合都采用蝶閥;蝶閥能夠輸送和控制的介質有水、凝結水、污水、海水、各種液態(tài)石化介質，以及空氣、煤氣、蒸汽等氣體，還有干灰粉末、泥漿、果漿及帶懸浮物的混合物等等;根據(jù)蝶閥的廣泛適用性，蝶閥目前不僅僅應用在低壓大口徑場合，而且向高溫、高壓等特種高參數(shù)方向發(fā)展，且應用越來越廣泛，如本文介紹的型號為32"DTD943Y-900lbI三偏心硬密封雙向密封0泄漏的高溫、高壓蝶閥的開發(fā)，迎合了市場和顧客需求。該產品設計標準執(zhí)行JB∕T 8527-2015 《金屬密封蝶閥》標準，檢驗和試驗滿足《工業(yè)閥門? 壓力試驗》GB/T13927-2008標準要求，同時贏得了市場，達到了供需雙贏的目的。

2、贏得市場，以顧客為關注焦點

要想得到顧客滿意，就要以顧客為關注焦點，最基本的就是向顧客提供符合標準要求的產品，江南閥門公司在設計開發(fā)高溫、高壓三偏心雙向金屬硬密封蝶閥時，分析了以往三偏心金屬硬密封蝶閥在使用過程中密封存在反向密封試驗不合格的根本原因，解決其根本原因就在于在保證閥體整體強度、剛度滿足要求的前提下，采取加強蝶板、閥桿強度和剛度的有效措施;借鑒以往設計開發(fā)產品32"DTD343Y-300lbP （CF10材質）閥門設計開發(fā)的以及以往同類產品經驗數(shù)據(jù)，設計并制造了樣機32"DTD943Y-900lbI樣機一次試制成功。

根據(jù)GB/T13927-2008《工業(yè)閥門 壓力試驗》（以下簡稱“試驗標準”）標準要求，對該閥門進行了規(guī)定的壓力試驗，具體為：液體殼體試驗、氣體低壓密封試驗、液體高壓密封試驗、蝶板承載能力試驗（見3.2）注;在上述規(guī)定的試驗項目中，液體殼體試驗、氣體低壓密封試驗、正向密封試驗完全符合試驗標準要求，本文重點介紹反向液體高壓密封試驗的情況。

注：蝶板承載能力試驗是JB/T8527要求內容，不是GB/T13927-2008中規(guī)定的試驗項目。

因試驗標準對蝶閥密封試驗方法有明確的規(guī)定：封閉閥門的一端，關閉閥門的啟閉件，給閥門內腔充滿試驗介質，逐漸加壓到規(guī)定的試驗壓力，在規(guī)定時間內保持壓力不變;檢查另一端的泄漏情況。重復上述步驟和動作，將閥門換方向試驗。

這充分說明：一臺符合GB/T13927-2008《工業(yè)閥門 壓力試驗》標準的蝶閥產品，就應完全符合該規(guī)定要求，也就是說正反雙向進行密封試驗，完全符合試驗標準的蝶閥產品才是達標的產品。

3、主要承壓件和控壓件強度與尺寸計算

3.1閥體的強度與尺寸計算

閥體的強度與尺寸計算主要是閥門壁厚的計算，參考GB/T12238附錄A閥門最小壁厚的計算公式：

式中：t —閥體最小壁厚，mm;P —最高使用壓力，MPa;C —腐蝕裕度，取C=5mm;D —蝶閥通徑，mm;W —材料許用應力，WC9的許用應力為110MPa。

將設計數(shù)據(jù)代入上述式中，閥體壁厚的計算如下：

型號：32"DTD943Y-900lbI，P=16，D=800，W=110，C=5，t=59，t′=105。

t′為閥體的設計壁厚， t′>t，閥體強度滿足設計要求。

而根據(jù)GB/T12224-2015中，表3A Class系列閥門殼體最小壁厚tm，公稱壓力Class900，內徑d=800mm時，tm=86.1mm，則閥體設計壁厚t′=105mm，閥體強度和剛度有所加強，根據(jù)設計經驗，閥體更能夠滿足預定要求。

3.2蝶板承載能力試驗具體要求

試驗中，根據(jù)閥體材質為WC9，結合GB/T12224-2015中，表2-7A? Class系列閥門標準壓力級壓力—溫度額定值，得出：公稱壓力Class900，在溫度-29℃～38℃，對應工作壓力為15.51 MPa;那么閥門壓力試驗時密封試驗壓力為：1.1x15.51=17.061MPa≈17.1 MPa，蝶板承載能力試驗壓力和閥門強度試驗壓力相同，均為：1.5x15.51=23.265 MPa≈23.3MPa;利用兩個壓力值進行兩個階段試驗觀察，以利于為后續(xù)產品設計和開發(fā)提供第一手資料。

以下壓力試驗為反向打壓情況，因正向密封壓力試驗不存在密封泄漏的問題，對反向密封試驗進行重點關注。

在蝶板大面一側確定三個位置為測量點（將偏離閥體中心后蝶板面積較大的一側平常俗稱為蝶板大面，相反偏離閥體中心后面積較小的一側，俗稱為蝶板小面），測量點處的表面粗糙度經處理后不大于Ra0.1μm，以保證測量精度和準確性（詳圖1閥門試驗檢測簡圖），在蝶板邊緣布置3個千分表，檢查調整好千分表的浮動零位，三個表通過測頭檢測閥門承壓狀態(tài)下引起蝶板的微小變形量，仔細觀察建立相關記錄;在第一階段進行密封壓力試驗，逐漸增加到17.1 MPa時，保壓10min（均大于標準規(guī)定保壓時間2min），度盤指針顯示結果：三只千分表①、②、③指針始終在±3μm擺動，幾乎與其最大允許誤差±2.5μm接近，轉數(shù)指針始終在零位擺動，閥門未產生泄漏。

在第二階段進行蝶板承載能力試驗：壓力由密封試驗壓力17.1 MPa逐漸增加到蝶板承載能力試驗壓力23.3MPa時，保壓30min（均大于標準規(guī)定保壓時間不少于10min），盤指針顯示結果：千分表①指針峰值達到0.152mm，發(fā)現(xiàn)有可見液體泄漏;千分表②指針峰值達到0.095mm，發(fā)現(xiàn)有可見液體泄漏;千分表③指針峰值達到0.093mm，發(fā)現(xiàn)有可見液體泄漏;從三只千分表顯示結果，蝶板在試驗過程中產生了微小變形量，造成閥門泄漏;且說明：此時三個測量點按照蝶板為靜態(tài)，未考慮千分表的示值誤差和回程誤差。

完成蝶板承載能力試驗后，上述實驗過程中蝶板發(fā)生的變形量在試驗壓力卸除后，此微小變形量得到完全恢復，經對蝶板檢測未發(fā)現(xiàn)有害的永久變形和損壞，蝶板承載能力試驗符合標準要求，上述一手試驗數(shù)據(jù)，記錄保存便于為以后產品設計開發(fā)提供有效依據(jù)。

3.3蝶板承載能力試驗條件

蝶板在1.5倍最大允許壓差下不發(fā)生有害永久變形和不發(fā)生損壞。

4、蝶板、閥桿的強度與尺寸計算

以往經驗數(shù)據(jù)應用于本次32"DTD943Y-900lb設計過程中，增加承壓件、控壓件剛度，使該閥達到反向密封試驗0泄漏的效果。按照JB∕T 8527-2015 《金屬密封蝶閥》產品標準要求，蝶板厚度不宜超過閥桿直徑的2.25倍;本產品設計完全符合標準要求（詳見4.3條款）。

4.1、蝶板的強度與尺寸計算

對于閥軸為整軸的閥門，B-B斷面由于閥桿的剛性支撐作用可不作計算，因此整軸的閥門只校核A-A斷面強度。

P—最高使用壓力MPa，根據(jù)GB/T12224-2015中，表D.3標準壓力級閥門最高額定值的工作使用壓力得，P=15.51MPa≈16MPa;

D—蝶板直徑，根據(jù)以往設計經驗值初定777.5mm ;

b —蝶板厚度（最大輪廓尺寸），mm ;

為保證蝶閥使用安全考慮，初步計算確定蝶板最大輪廓尺寸厚度b為：b=378mm;

WC9材料的許用應力：[σw]=110MPa。

將設計數(shù)據(jù)代入上述式中，計算數(shù)據(jù)為：P=16MPa，D=777.5 mm，b=378 mm，σWA=39.5 MPa，[σWA] =110 MPa。

由上述可知，σWA<[σWA]，A-A斷面強度滿足設計要求。

最終確定蝶板最大厚度b為：b= 378mm。

4.2閥桿的強度與尺寸計算

4.2.1閥桿的扭矩計算

蝶閥開啟時扭矩最大，因此按開啟時計算閥桿扭矩M。對于金屬密封蝶閥，閥桿扭矩：M=M1+M2+M3+M4+M5+M6

式中：

M1—密封面摩擦力矩。

對于偏心蝶閥：

《實用閥門設計手冊》，表5-159;

M2—軸承摩擦力矩

Mc=0.5×0.785×D×P×fc×d;

M3—偏心力矩

M3=0.785×D×P×E;

M4—填料摩擦力矩

M4=ψ×d×bT×P×0.5d;

M5—靜水力矩

M5=0，當閥桿垂直安裝時為0;

M6—動水力矩

M6=0，閥門未開啟時，動水力矩為0;

密封比壓 q=13.9，見《閥門設計計算手冊》（第二版，表4-16），;

蝶板密封半徑R=0.3783m;。

密封面的接觸寬度（蝶板密封面凸出寬度）;b=0.0198 m。

密封面摩擦系數(shù);fm =0.15

蝶板密封直徑D。

計算壓力P=16 MPa。

軸承摩擦系數(shù)fc =0.15。

閥桿直徑d =0.238 m。

閥桿偏心E =0.02m。

填料系數(shù)ψ=1.61，見《實用閥門設計手冊》，表3-15;

填料寬度bT =0.016 m，密封高度h=0.155 m。

金屬密封蝶閥的閥桿扭矩計算數(shù)值如下：

密封力矩M1=25461.8 N.m，軸承力矩M2=107848.4 N.m，偏心力矩M3=143797.8 N.m，填料力矩M4=8243.2 N.m。

閥桿總力矩M= M1+ M2+ M3+ M4=285351.2 N.m。

4.2.2 閥桿的強度驗算

（1）閥桿的彎矩計算

Mw=Q×H=0.5×0.785×D2×P×H

式中：

蝶板密封直徑D=777.5mm;

計算壓力P=16MPa;

蝶板軸座離軸承中心的距離H=0.025m;

將設計數(shù)據(jù)代入上述式中，計算結果：Mw=94907.5 Nm。

（2）閥桿最大扭轉應力校核：

閥桿最大扭轉剪應力：

將設計數(shù)據(jù)代入上述式中，計算結果為：τN=178.3 MPa<[τN] =180 MPa，經校核符合要求。

（3）閥桿最大彎曲應力校核

閥桿最大彎曲應力：

將設計數(shù)據(jù)代入上述式中，計算結果為：σW =118.6 MPa<[σW]= 336 MPa，經校核符合要求。

4.3采取增加蝶板整體剛度措施

因經過對閥桿蝶板強度校核后，已知閥桿最小直徑為：

d桿=238mm，蝶板厚度b=378mm;b=378mm<2.25 d桿=535.5mm，符合JB/T8527標準5.9.3要求。

蝶板在滿足產品標準JB/T8527要求前提下，結合以往閥門設計開發(fā)相關經驗，在蝶板整體面積上由蝶板中心向四周逐漸加強剛度的措施，根據(jù)試驗壓強固定條件下，面積較大側則承受壓力就大，故重點加強蝶板的閥桿中心偏離后蝶板面積較大一側的剛度;同等條件下，蝶板大面強度和剛度有保證，則蝶板小面強度和剛度更沒有問題;根據(jù)這個原則，采取由蝶板中心向蝶板四周逐漸加強的措施，且與鑄造廠技術人員進行了相關鑄造工藝方面的溝通及改進，避免鑄造過程中工件不合格的發(fā)生;裝配完工后經過該閥門密封試驗和蝶板承載能力試驗，蝶板增強剛度措施取得良好的效果，試制樣機試驗效果達到預定目的。

5、結語

此此次高溫、高壓雙向密封硬密封蝶閥試制過程中，工程技術人員及時跟蹤，從生產制造過程嚴格執(zhí)行工藝紀律著手，在產品裝配后，按照GB/T13927-2008《工業(yè)閥門? 壓力試驗》要求檢驗與試驗，裝配后正反雙向進行密封試驗，密封試壓一次合格率達100%，達到雙向密封0泄漏，向顧客提供了合格、滿意的產品，贏得客戶贊許！

作者簡介：

陳銀忠（1965-），漢，男，河南鶴壁，本科，高工/副總，研究方向：主要從事質量管理體系方面管理工作和相關閥門產品的研究開發(fā)工作.