超低溫雙偏心蝶閥
來源:自貢閥門廠

  超低溫蝶閥主要應用于液化天然氣和液氮等管路系統,控制管路啟閉或調節設備。針對國內市場對超低溫閥門的需求及其產品基本上依賴于進口的狀況,研制了一種新型超低溫蝶閥。產品采用了雙偏心結構和彈性金屬密封結構,雙偏心結構可大幅度消除蝶閥啟閉過程中蝶板與密封圈不必要的過度擠壓和刮擦等現象,彈性金屬密封結構可有效地補償溫度變化帶來的變形影響,兩種結構的應用可有效地提高超低溫工況下蝶閥的密封性能。

    2 設計

    (1)蝶板

    蝶板為部分球體結構型式的雙偏心蝶板,其基本結構如圖1所示,點O為通過蝶板球心平行于轉動軸的直線與該直線垂直剖切面上的交點,點O為雙偏心蝶板轉動軸在剖切面上的交點,A 、B、C及D為蝶板在剖切面上的邊緣點,e、c分別為點O與點O的徑向、軸向偏心距,R為剖切面上蝶板所在圓半徑,t、s分別為邊AD與點O、邊BC的距離,α、β及λ為相應夾角。蝶板按旋轉軸的垂直面作切面主要有圖1(b)、圖1(c)兩種情況,圖1(b)為蝶板中間段密封情況,圖1(c)為蝶板轉動軸上下兩端附近的密封情況。

    根據雙偏心蝶閥的結構特點及其雙偏心作用,圖1中A、B、C及D邊緣點的旋轉半徑R1、R2 、R3及R4必須滿足R1>R2,R3>R4相對關系的同時成立。根據幾何作圖可以確定雙偏心蝶板轉動軸上點O的適合區域,如圖1(a)所示。

(a)轉動軸適合區域 (b)蝶板中間段幾何關系 (c)蝶板極限位置幾何關系

圖1 雙偏心蝶板基本結構

  在確定雙偏心蝶板轉動軸適合區域的基礎上,對蝶板邊緣點的旋轉半徑R1、R2、R3及R4進行進一步的計算,當為圖1(b)情況時,有

        (1)

    式中,,對于c> 0或c<0均適用。

        (2)     

    式中

        (3)

        (4)    

    圖1(c)中所示的密封情況是圖1(b)中所示密封情況的特殊情況,邊緣點B、C重合,R2=R3。

        (5)

    R2和R3的計算式(5)是式(2)和(3)的簡化形式,即其中的α2為0的特殊情況。因此對于雙偏心蝶板兩種密封情況下邊緣點旋轉半徑的計算公式是統一的。

    通過雙偏心蝶板幾何關系的分析,在確定雙偏心蝶板轉動軸適合區域的基礎上,結合密封結構中所需的密封件壓縮量以及綜合考慮雙偏心蝶板產生的附加靜水力矩等因素,利用式(1)~(5)進行蝶板密封面邊緣極限位置差值R1-R2,R3-R4等數值計算,可確定合適的雙偏心蝶板結構尺寸。

  (2)密封結構

    在超低溫工況下,軟密封材料會發生冷脆等不良現象,使密封結構失效。超低溫蝶閥采用彈性金屬密封結構(圖2),通過調節螺栓控制壓環位置調整彈性金屬密封圈的壓縮量以滿足密封要求。其中彈性金屬密封圈為關鍵零件,它由外層、內層以及內部彈簧組成(圖3),外層的主要材料為銅,具有良好的硬密封性能,內層主要材料為適合超低溫應用環境的不銹鋼,保證密封件具有一定的剛度。內部彈簧使密封件具有一定的彈性,可以很好地減小溫度變化帶來的材料熱脹冷縮對密封性能產生的影響。

1. 蝶板2.閥體3.擋圈4.調節螺栓

5. 定位板6.壓環7.彈性金屬密封圈

圖2 彈性金屬密封結構

1. 外層2.內層3.彈簧

圖3 彈性金屬密封圈結構

    (3)材料選擇

    在低溫條件下,金屬材料的強度和硬度提高,塑性和韌性降低,呈現出不同程度的低溫冷脆現象,嚴重影響到蝶閥的性能和安全。為了防止材料在低溫下的脆斷,閥體和蝶板等承壓零部件采用奧氏體不銹鋼(如304L、316、316L等),其中316L的穩定性最好,沒有明顯的低溫冷脆臨界溫度,在低溫條件下,仍能保持較高的韌性,因此閥體和蝶板等承壓部件選用316L材料

3 試驗

    參照BS6364、JB/T7749等相關低溫閥門試驗標準,搭建了超低溫蝶閥試驗裝置(圖4),通過減壓閥和截止閥等組合操作對蝶閥的密封性能進行測試。在試驗過程中,通過熱電偶監測閥體、閥蓋及蝶板等部位的溫度,達到試驗溫度要求后,用低溫測試介質氦氣進行蝶閥的密封性能試驗。

1. 氦氣瓶2.截止閥3.減壓閥4.壓力表

5. 被測閥6.酒精瓶7.流量計

圖4 蝶閥低溫試驗裝置原理

    在雙偏心蝶板、密封結構以及閥門主要零件選用材料等方面研究成果的基礎上,研制了DN300-PN10超低溫雙偏心蝶閥,并在試驗裝置上用氦氣對該閥分別進行常溫與液氮工況下的密封性能試驗。試驗結果表明DN300-PN10超低溫雙偏心蝶閥常溫下的泄漏量小于16ml/min。在液氮超低溫工況下,該閥泄漏量小于100ml/min。

    4 結語

    通過雙偏心蝶板幾何關系研究,提出的數值計算公式,結合密封結構中所需的密封件壓縮量以及綜合考慮雙偏心蝶板產生的附加靜水力矩等方面因素,可以較好的確定雙偏心蝶板的結構尺寸。提出的彈性金屬密封結構可以較好地減少溫度變化帶來的材料熱脹冷縮對密封性能產生的影響。選用的316L材料作為閥體、蝶板等零件材料應用于超低溫工況是適宜的。研制的DN300-PN10超低溫雙偏心蝶閥的密封性能達到了ANSI/FCI70-2中Ⅵ級以及JB/T7749中低溫蝶閥對密封性能的要求

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