三偏心蝶閥密封壓力影響因素分析

楊恒虎，郝嬌山，王偉波，廖 靜

(1.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 401121； 2.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司技術(shù)中心 調(diào)節(jié)閥研究所，重慶 400707)

引言

三偏心蝶閥是由中線蝶閥、雙偏心蝶閥逐步演化而來[1]，通過獨(dú)特的3個(gè)偏心，使得蝶閥由位置密封變?yōu)榕ちγ芊鈁2]，極大地提高了蝶閥的密封性能，降低了對(duì)執(zhí)行器配置，兼具調(diào)節(jié)與截止雙重作用[3]；相較于其他截止閥，具有口徑大、流通能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，廣泛應(yīng)用于石油化工、液化天然氣、市政建設(shè)、農(nóng)業(yè)灌溉等行業(yè)[6-7]。目前市場(chǎng)制造的三偏心蝶閥密封圈多采用金屬與非金屬相間排列的多層次密封圈結(jié)構(gòu)，各層密封圈之間通過粘膠粘接為一個(gè)整體。但多層次密封圈在使用過程中存在以下局限性：

(1) 密封圈各層之間的粘膠存在使用溫度上限，過高溫度會(huì)致使粘膠失效；

(2) 三偏心蝶閥開啟后，流體介質(zhì)直接沖刷密封圈密封面，非金屬密封面易受介質(zhì)沖刷而失效，縮短了三偏心蝶閥使用壽命。針對(duì)上述局限性，全金屬密封圈應(yīng)運(yùn)而生，主要有兩種結(jié)構(gòu)：多個(gè)金屬圈粘接為1個(gè)密封圈和1個(gè)金屬密封圈；但全金屬密封圈密封性能大大降低，不能達(dá)到相應(yīng)的泄漏等級(jí)要求。

目前眾多學(xué)者也對(duì)三偏心蝶閥進(jìn)行了各項(xiàng)研究。俞鈞[8]推導(dǎo)了三偏心蝶閥密封壓力解析公式，但相關(guān)推導(dǎo)公式是基于密封面各處壓力相同的假設(shè)而建立，且未計(jì)算蝶閥關(guān)閉時(shí)，執(zhí)行器輸出的預(yù)緊扭矩對(duì)密封壓力的影響；董研[9]運(yùn)用ANSYS Workbench模擬分析了三偏心蝶閥密封壓力，表明三偏心蝶閥密封面接觸壓力呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)；楊恒虎[10]采用有限元軟件對(duì)三偏心蝶閥介質(zhì)反向流時(shí)，多層次密封圈與全金屬密封圈密封壓力進(jìn)行了初步分析，并未深入研究密封面密封壓力的影響因素；徐滟等[11]、何慶中等[12]均采用有限元分析軟件對(duì)3個(gè)偏心與密封性能關(guān)系進(jìn)行了研究分析，未對(duì)其他結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行分析。為全面探究三偏心蝶閥密封性的影響因素，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)不同狀態(tài)下的三偏心蝶閥密封圈與閥座間的密封壓力進(jìn)行模擬分析，對(duì)三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要意義。

1 有限元模型建立

1.1 三維模型

以VBJG DN250 Class150 多層次三偏心蝶閥的三維模型為基礎(chǔ)，建立工況分析所需的三維模型，其主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)為軸向偏心27 mm，徑向偏心4 mm，角偏心8°，半錐角15°。為提高計(jì)算效率，對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化重建，去掉對(duì)此次模擬分析影響甚微的零部件，如支架、執(zhí)行器、法蘭盤，簡(jiǎn)化完成后三維模型僅保留壓圈、蝶板、密封圈、閥軸、閥體、螺栓6部分；為便于查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，此處采用三維半剖圖，如圖1所示。閥座為整體式閥座，與閥體合二為一；密封圈通過壓圈與螺栓壓緊在蝶板上，閥軸與蝶板采用銷連接。當(dāng)?shù)y關(guān)閉時(shí)，執(zhí)行器輸出扭矩通過閥軸與蝶板帶動(dòng)密封圈按圖中所示方向旋轉(zhuǎn)，使密封圈壓緊在閥體上的密封面，從而實(shí)現(xiàn)密封。

圖1 三偏心蝶閥簡(jiǎn)化后三維半剖圖

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分涉及計(jì)算效率、計(jì)算精度與收斂性；當(dāng)網(wǎng)格較大時(shí)，計(jì)算精度、收斂性差，求解速度快；當(dāng)網(wǎng)格較小時(shí)，則剛好相反。為平衡三者的關(guān)系，針對(duì)本次分析模型為三維實(shí)體模型，各部件之間存在眾多接觸問題，因此，對(duì)整體采用帶中間節(jié)點(diǎn)的高階實(shí)體單元，以提高非線性求解收斂性。為減小網(wǎng)格數(shù)量，可對(duì)整機(jī)采用六面體為主的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。當(dāng)密封圈結(jié)構(gòu)為多層次時(shí)，每層密封圈較薄，最小厚度為1 mm，為更好的模擬物理場(chǎng)，對(duì)密封圈上接近密封面小塊區(qū)域劃分為2層網(wǎng)格。對(duì)與密封圈密封面相配合的閥座密封面，進(jìn)行相應(yīng)細(xì)化。劃分好的網(wǎng)格數(shù)量約為35.8萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)量約為57萬，如圖2所示。

圖2 三偏心蝶閥網(wǎng)格示意圖

1.3 接觸及邊界條件設(shè)置

ANSYS Workbench對(duì)各部件接觸面預(yù)設(shè)為綁定接觸關(guān)系，但有些零部件之間為非綁定關(guān)系，需對(duì)不符合實(shí)際情況的接觸關(guān)系進(jìn)行修改。此處，需將密封圈與閥座、密封圈與壓圈、密封圈與蝶板之間的接觸修改為摩擦接觸，使之符合實(shí)際情況。對(duì)于密封圈多層次結(jié)構(gòu)，各層之間的接觸依據(jù)表1工況進(jìn)行設(shè)置，其余各處零部件接觸保持默認(rèn)的綁定即可。

表1 三偏心蝶閥不同狀態(tài)下的密封圈參數(shù)

在實(shí)際工況中，三偏心蝶閥關(guān)閉時(shí)，同時(shí)承受閥桿預(yù)緊扭矩和介質(zhì)壓力雙重作用。由于偏心作用，介質(zhì)壓力的不平衡性將產(chǎn)生1個(gè)使蝶板繼續(xù)關(guān)閉的扭矩；此外，作用于蝶板的介質(zhì)壓力將密封圈推向閥座，產(chǎn)生擠壓作用，增大密封壓力，利于密封；因此，可不考慮介質(zhì)壓力對(duì)密封壓力影響，負(fù)載只需加載預(yù)緊扭矩1000 N·m即可。如圖3所示，邊界條件設(shè)置如下：

圖3 邊界條件的設(shè)置

(1) 在閥軸上截取一圓柱曲面，用于施加執(zhí)行器的輸出扭矩；

(2) 在實(shí)際使用中，三偏心蝶閥與管路通過螺栓連接，因此，固定約束施加在閥體兩端面，避免蝶閥整機(jī)的剛性位移和固支約束引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加；

(3) 在螺栓上添加相應(yīng)的螺栓預(yù)緊力，使密封圈壓緊在閥板上。

2 密封壓力模擬分析結(jié)果

三偏心蝶閥為扭矩旋轉(zhuǎn)擠壓式密封結(jié)構(gòu)，其密封面為斜置圓錐的環(huán)面；關(guān)閉時(shí)，需密封圈整個(gè)環(huán)面各處均未發(fā)生泄漏，才能實(shí)現(xiàn)密封。據(jù)研究，三偏心蝶閥各處密封面間壓力分布不均勻[9]，因此，其密封性能不可以密封面上最大密封壓力為評(píng)判依據(jù)，需以密封環(huán)上能否形成連續(xù)完整壓力環(huán)以及壓力環(huán)中的最低壓力值為評(píng)判依據(jù)。為獲得密封圈密封壓力分布情況，對(duì)表1所示各工況下的密封壓力進(jìn)行有限元模擬分析，其結(jié)果如下。

2.1 工況一密封壓力分析結(jié)果

工況一為目前三偏心蝶閥廣泛應(yīng)用的金屬與非金屬相間的多層次密封圈，其各層密封圈間用粘膠粘接為一體，故采用綁定接觸，螺栓預(yù)緊力為8022 N、預(yù)緊扭矩為1000 N·m，壓圈和密封圈總厚度均為8 mm。圖4為工況一的密封圈密封面上壓力分布云圖。其密封壓力存在以下分布規(guī)律：

圖4 工況一密封壓力分布云圖

(1) 各層密封圈均能形成一定密封壓力環(huán)面；

(2) 密封圈各處密封壓力分布不均勻，其中最大密封壓力為66.7 MPa，最小密封壓力為0；

(3) 金屬密封圈密封壓力分布在18 MPa左右，非金屬密封圈密封壓力分布在1.5 MPa左右；

(4) 密封圈大端與小端區(qū)域密封壓力分布規(guī)律恰好相反；對(duì)于密封圈大端區(qū)域，密封壓力主要集中在密封面后端，約為18 MPa；對(duì)于密封圈小端區(qū)域，密封壓力主要分布在密封面前端，約為35 MPa，但僅分布在密封圈的邊緣上，密封性能明顯弱于大端區(qū)域；

(5) 密封圈大端與小端相反的密封壓力分布規(guī)律，致使密封壓力在閥軸附近形成過渡區(qū)，其密封壓力可達(dá)17 MPa。

因此，三偏心蝶閥多層次金屬與非金屬組合密封圈，在1000 N·m的關(guān)閉扭矩下，可形成17 MPa密封壓力環(huán)面。

2.2 全金屬多層次密封壓力分析結(jié)果

工況二、三、四密封圈的結(jié)構(gòu)型式仍為多層次結(jié)構(gòu)，但其材質(zhì)均為SUS304，探索密封圈材質(zhì)和密封圈各層接觸關(guān)系對(duì)三偏心蝶閥密封壓力的影響。其中，工況二的各層密封圈接觸關(guān)系為綁定，即各層密封圈間用粘膠粘接為整體，各層之間不存在相對(duì)滑移；工況三的各層密封圈間的接觸關(guān)系為不分離，允許各密封圈之間在徑向上具有可滑移性，但各密封圈在軸向上不會(huì)發(fā)生分離；工況四的各層密封圈間的接觸關(guān)系為摩擦，允許密封圈在軸向和徑向均可發(fā)生分離。

圖5a為工況二下的三偏心蝶閥密封壓力分布云圖，其密封壓力分布特點(diǎn)為：對(duì)于密封面大端區(qū)域，密封壓力主要集中在后端，而密封面小端區(qū)域，密封壓力主要集中在前端且密封壓力在閥軸處形成壓力為3.6 MPa 的過渡區(qū)，因此工況二所述密封圈僅能形成3.6 MPa的密封壓力環(huán)面。對(duì)比圖4可知，多層次全金屬密封圈降低了密封圈的密封壓力分布均勻性和密封壓力過渡區(qū)的壓力值，降低了密封性能。

圖5b、圖5c 分別為工況三、四下的三偏心蝶閥密封壓力分布云圖，兩種工況的密封壓力分布規(guī)律基本相同，整體密封壓力分布均勻，整個(gè)密封圈可形成7.8 MPa的密封壓力環(huán)面，因此，多層次密封圈軸向上的可滑移性，對(duì)三偏心蝶閥密封壓力的影響較小。對(duì)比圖4和圖5a可知，多層次密封圈徑向上的可滑移性，能有效改善密封圈密封壓力分布均勻性，提高密封壓力過渡區(qū)的壓力值，極大地提高三偏心蝶閥密封圈的密封性能。

圖5 全金屬多層次密封壓力分布云圖

2.3 全金屬單層次密封壓力分析結(jié)果

工況五分析了4.8級(jí)、6.8級(jí)、8.8級(jí)、10.9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接預(yù)緊力即8022，12033，16044，22562 N下，單層密封圈密封壓力分布情況。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同螺栓預(yù)緊力下的密封壓力分布規(guī)律基本相同，限于篇幅，此處僅給出了8.8級(jí)螺栓預(yù)緊力下密封壓力分布云圖，如圖6a所示。對(duì)比圖5a可知，其密封壓力分布規(guī)律與工況二保持一致，兩者僅在密封壓力數(shù)值上存在微小差異，因此，當(dāng)多層次全金屬密封圈各層之間為綁定關(guān)系時(shí)，可等效為單層金屬密封圈。通過軟件讀取4種螺栓預(yù)緊力下，密封圈的密封壓力可知，最大密封壓力分別為44.4，50.6，44.0，42.0 MPa，而過渡區(qū)的密封壓力分別為3.9，3.6，3.1，3.0 MPa。因此，三偏心蝶閥的密封性能隨螺栓預(yù)緊力的增大而降低，下降幅度較小。結(jié)合圖5c 可知，單層金屬密封圈的密封壓力分布均勻性和過渡區(qū)密封壓力值遠(yuǎn)弱于多層次全金屬密封圈。

圖6 全金屬單層次密封壓力分布云圖

圖6b為工況六下，三偏心蝶閥密封壓力分布云圖。由圖可知，當(dāng)壓圈加厚10 mm后，密封圈小端區(qū)域的密封壓力分布由密封面前端移至后端，其中密封面大端區(qū)域的密封壓力為15.8 MPa左右，密封面小端區(qū)域的密封壓力為12.1 MPa左右，薄弱區(qū)的密封壓力約為10 MPa。結(jié)合圖6a可知，壓圈加厚改變了密封壓力分布規(guī)律，使得密封面無明顯的密封壓力過渡區(qū)且極大提高了閥軸附近的密封壓力值，提高了密封性能。

圖6c為工況七下，三偏心蝶閥密封壓力分布云圖。其密封大端區(qū)域的密封壓力為50 MPa左右、密封小端區(qū)域的密封壓力為46 MPa左右，可形成6 MPa的密封壓力環(huán)。結(jié)合圖6a可知，密封圈變薄，密封壓力的整體分布規(guī)律與工況五保持一致，可提高了過渡區(qū)密封壓力值，利于密封，但對(duì)過渡區(qū)密封壓力改善不明顯。

3 結(jié)論

通過對(duì)7個(gè)工況下，三偏心蝶閥密封壓力的模擬分析，得到了各工況密封圈上密封壓力的分布規(guī)律以及過渡區(qū)密封壓力值，通過分析可得如下結(jié)論：

(1) 三偏心蝶閥密封壓力影響因素，除了結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還包括密封圈的型式、螺栓預(yù)緊力、壓板厚度、密封圈厚度等，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)依據(jù)各因素對(duì)密封壓力的影響規(guī)律，選用合適結(jié)構(gòu)及尺寸，提高密封性；

(2) 三偏心蝶閥密封壓力分布不均勻，以閥軸為中心，兩端的密封壓力分布規(guī)律相反，在閥軸附近形成低壓力過渡區(qū)，其為影響三偏心蝶閥密封性的關(guān)鍵區(qū)域；

(3) 通過對(duì)比分析結(jié)果可知，三偏心蝶閥采用多層次密封圈、增大壓圈厚度可改善密封壓力分布均勻性，提高過渡區(qū)密封壓力值，是實(shí)現(xiàn)全金屬密封圈的一條有效途徑。