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1、三偏心金属硬密封蝶阀设计环球阀门集团有限公司 研发部谷成明 2012/10/08Page 2 蝶阀先后经历了从中线型向单偏心、双偏心和三偏心的演变。三偏心蝶阀 结构简单、体积小、质量轻，仅由少数几个部件组成，操作简单，其结构 原理适合制作大口径阀门，同时具有良好的流量控制特性，因此在石油化 工、冶金炼钢、水处理、电力等行业中的得到了广泛的应用。 虽然三偏心蝶阀结构简单、部件也不多、也有很多可供参考的设计资料。 但设计过程并不简单，其三个偏心及阀杆直径的设计就足以将设计过程变 的非常复杂。且相关参考书籍和资料显示，关于蝶阀设计验证的理论大都 还只是停留在1976年的沈阳阀门研究所出版的阀门设计手
2、册水平上而 已。这对于产品的设计校核是远远不够的。尤其是随着工艺设备的发展和 自动化水平的提高，对蝶阀的使用寿命、零件材质、产品的密封可靠性和 产品的安全性等指标都有了更高的要求。 因此三偏心金属硬密封蝶阀的设计优化就显得极为重要了。一.引言Page 3二.产品图纸设计流程Page 4三.设计工具3.1 二维制图软件：CAXA 2007用于方案设计， SolidWorks 2010用于三维模 型以及工程图绘制，随着三维模型参数的修改SolidWorks 2010能够自动变 更工程图中的图形和尺寸；3.2 辅助设计工具：exl版设计计算书。在陆培文主编的阀门设计计算手册 蝶阀典型计算项目的基础上
3、，修改并添加一些必要的校核内容，通过exl的函 数功能编写自动计算的校核公式，并设置合格条件，使得并大大节约了原来 的手工计算时间。为零部件的各个参数给出理论依据。经验数据库是将已开 发阀门部件的关键参数按型号分别列出，可直接对比和查询不同型号间的参 数差异。为系列化开发以及新产品设计提供直观、便捷的查询通道。3.3 三维造型软件： SolidWorks 2010应用最为广泛的高效、强大的三维CAD 解决方案之一。3.4 有限元分析软件： Simulation /Flow Simulation。即著名的FEA软件 COSMOSWorks，以插件形式集成在SolidWorks 2010。易学易用
4、、简洁直 观，普通PC即可运行，无需专业的有限元经验。普通工程师即可进行工程分 析，迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短设计周期，降低测试成本。 Page 5四.设计输入（部分举例） 产品设计与制造标准：API 609-2009、JB/T 8527-1997、EN 593-2004； 产品压力温度等级标准：ASTM B16.34-2009、GBT 9124-2000、EN 12516-2005； 法兰尺寸标准：ASME B16.5-2009、ASME B16.47-2006、GB/T 9113- 2000、SANS 1123 -2007、EN 1092 1-2005； 结构长度标准： API
5、609-2009 、GB/T 12221-2005、EN 558 1-1996； 检验与试验标准：API 598-2009、GB/T 13927-2008、ISO 5208-1993、 EN 12226 1-2003； 其他相关标准：原材料及检验标准、涂装及包装标准、国家安全法律法规 、设计参考资料等； 客户要求：产品数据表、产品样图（设计方案）、蜗轮方向示意图、QCP 质量计划相关要求。Page 6五.设计过程及设计要点（编制文件）5.1 三偏心金属硬密封蝶阀定义 蝶板围绕阀杆旋转90达到启闭和调节 的效果，在管道上起切断和节流作用；阀门密封副为金属或金属层叠材料； 密封副结构为三偏心金属硬
6、密封。密封面中心和阀瓣回转中心偏移形成第1 个偏心(轴向偏心)；阀门流道中心和阀瓣 回转中心偏移形成第2个偏心(径向偏心) ；第3个偏心是密封面角度偏心（斜置圆 锥）。 见图A图APage 71.壁厚2.密封比压3.阀杆扭矩5.填料密封比压6.阀杆销孔截面抗扭7.轴承承载压力8.蝶板强度 Simulation9.密封圈强度挠度10.键的挤压和剪切11.阀杆键 槽截面抗扭12.防转销剪切14.防转销剪切13.螺栓强度15.中法兰强度16.螺钉强度17.密封圈压板强度18.螺钉强度19.下端盖强度20.支架强度21.填料压盖强度22.驱动装 置扭矩校核23.地脚强度 Simulation5.2 三
7、偏心蝶阀设计控制点24. 阀瓣流阻模拟 Flow SimulationSimulation4.密封副动作干涉模拟 Simulation图BPage 85.3 设计过程5.3.1 按照执行标准和产品使用工况确定产品材料配置。其中密封副和阀杆材 质对产品各个方面都有着极大的影响。以下简要说明其互相作用关系。密封副材质的许用比压跟阀门扭矩有极大的反比关系：材质的许用比压越小(强度较小)，设计的密封面宽度就需要越宽；密封面宽度越宽，密封面摩擦力矩越大，一般来说蝶阀密封副的摩擦力矩占到总阀 门扭矩的7080%，所以密封面的大小直接影响后续部件参数的设计；密封副的摩擦力矩越大，导致阀杆直径越大，只有更大的
8、阀杆直径才能满足其抗扭 转的能力；密封面宽度和阀杆直径越大，将更容易导致密封副发生动作干涉，同时阀杆直径加 大也会导致轴承摩擦力和填料摩擦力的增加。为避免密封副动作干涉，密封副的径 向偏心或轴向偏心需要同比加大。径向偏心的加大会破坏阀瓣在阀杆轴线两侧的介 质力平衡，在正向开启和反向关闭时不仅会导致扭矩增加，还会减弱阀门的密封效 果。高强度阀杆材质可以在减小阀杆直径同时减小轴承摩擦力矩，而更小的阀杆直径可以 减小阀门的径向偏心和轴向偏心，有利于阀门密封性能和材料成本的控制。 (试验数 据见附件1)Page 95.3.2 按产品标准及其引用的标准已知数据填写经验数据库并绘制流道内径 、结构长度、法
9、兰尺寸和壁厚；壁厚设计原则常用产品标准壁厚标准说明JB/T 8527-97 金属密封蝶阀GB/T 12224-2005 钢制阀门 一般要求按表3或按表3进行内外插 值.并对比公式取最大值EN 593-2004 工业 阀门-金属蝶阀EN 12516-1-2005 工业阀 门 壳体设计强度 第1部 分：钢阀门壳体的列表法查表并对比公式取最大值API 609-2009 双法 兰式、凸耳式和对夹 式蝶阀ASME B16.34-2009 法兰 、螺纹和焊接端连接的阀 门按表3A或按表3A进行内 插值，其余按ASME B16.34-2009 的计算公式5.3.3 密封副设计。 按经验数据库预选密封圈厚度、
10、角度偏心、径向偏心、轴向偏心和阀杆直 径。并用计算书校核密封副的密封比压。在满足密封圈强度的前提下，Page 10密封面厚度应取小值。较小的厚度可以减小密封面摩擦力矩。但必须满足同时密封 圈的强度校核。且最大直径处在启闭过程中应不会与流道产生动作干涉,此间隙在初 期一般控制在1020mm(见图C)，由于蝶板此边缘的直径在设计完成后会大于此处 的密封圈直径，所以需要在蝶板设计完成后重新确认此间隙控制在815mm。此间 隙的设计同时也决定了蝶阀的最小通径。这里特别要提醒反向压力密封工况下的密封副摩擦力自锁理论。密封副摩擦力自锁理 论指：将密封副斜锥角设计在摩擦锥范围内，依靠密封副之间的摩擦力实现自
11、锁密 封。这么理解是有一定错误的，因为密封副斜锥角并不是摩擦角。Page 11图D图C按照理论力学关于摩擦的定义(见图E)： 物体处于平衡的临界状态时，全约束力 FRA与法向约束力FN间所形成的夹角f称 为摩擦角，2f称为摩擦锥。在此摩擦锥 内向物体施加的力FR (FRA的反力)无论怎 样大，物体必将保持平衡。 假设密封副摩擦力自锁理论成立，那么阀 瓣应该是既无法开启也无法关闭，因为摩 擦锥内的力无论大小必将保持物体的平衡 。所以密封副摩擦力自锁密封理论无法独 立存在。图EPage 12图F为密封副在反向压力介质作用下关闭状态下的简化受力模型。通过计算摩擦系数 的反正切值可求得自锁的角度。按阀
12、门设计计算手册表4-29可知碳钢或合金钢 密封面的开启摩擦系数为0.4则arctan0.4=21.8，即最大静摩擦角为21.8(见 图F)。线v为阀瓣回转中心与密封面中心连接线，由于驱动装置扭矩和介质力都是图F=角度偏心 =接触角 fs=摩擦系数 Fa =介质作用力Fb =驱动装置施加的扭矩作用力Fc=密封副摩擦力Fy =密封圈弹性压缩产生的作用力Fn =法向约束力 Fs =切向约束力v=阀瓣回转中心与密封面中心连接线沿着阀瓣回转中心施加作用力的，所以Fa 和Fb均垂直于v线，Fn垂直于x轴，Fc作 为Fa的反向摩擦力。可看到主动力Fa的 方向完全超出了摩擦锥2的角度范围， 所以是无法实现自锁
13、的。而真正的密封副 摩擦角应该是K角。Fy和y所形成的夹角Ky 称之为密封圈对阀座的摩擦角，这个角一 般设定在1824，虽然Ky和密封副斜锥 角相等，但由于Ky只在施加扭矩后才会 产生Fy。所以认定三偏心金属硬密封蝶阀 属于扭矩密封。综上所述密封副自锁应是 存在于一个力系平衡的环境下，但由于是 扭矩密封，所以不需要校核力系平衡，只 要驱动扭矩满足或者大于阀门总扭矩即可 实现密封。Page 13密封副结构-弹性密封圈双向密封、扭矩密封利用安装在碟板上的弹性不 锈钢密封圈实现零泄漏。当向阀 杆施加扭矩时，密封圈的弹性是 通过密封圈径向压缩和柔动产生 的。密封圈与阀座接触面是“锥 中锥”结构，两个锥
14、均为斜锥。 密封圈和阀座之间的接触角发生 轻微的“楔块效应“。使密封圈发 生柔动和径向压缩。正由于阀座 和密封圈之间均匀接触及密封圈 的柔性，使阀座周边均匀负载， 从而用最小的扭矩实现最严密的 密封。Page 14密封副结构-弹性密封圈关闭阀板前阀板关闭后关闭后此间隙在密封 角度和扭矩的作用下 被压缩。密封圈本身的弹性将 产生一个有利于密封 的反作用力推动密封 圈靠向阀座。同时介质压力通过压 板上的增压孔将密封 圈推向阀座增强密封 性能。Page 15密封副结构-浮动阀座浮动阀座的反向密封，依靠介 质压力推动阀座靠向密封圈以 补偿位移间隙，以介质本身的 压力实现零泄漏。因为大口径 高压情况下，
15、密封副如果有自 动补偿的功能会更容易密封。预定位弹簧的作用是用于避免 阀门关闭时最后阶段时密封圈 和阀座产生动作干涉而刮伤密 封面，同时也是一个预定位作 用，避免阀座在开启后自由滑 动而影响O型圈的使用寿命。而四开环是用于正向密封时支 撑阀座用的。限位螺钉是用于 防止四开环由于介质冲刷而脱 落的。弹簧一侧另有几个圆柱销用于 防止浮动阀座的径向转动。Page 164.3.4 扭矩计算在密封副设计完成后，预估填料和轴承尺寸一并填入exl版设计计算书自动计算阀门总扭矩。为 其他需引用阀门扭矩计算项目做好准备。阀门总扭矩=(密封面摩擦力矩+轴承摩擦力矩+阀杆与填料(O形圈)摩擦力矩+静水力矩)1.25
16、密封面摩擦力矩采用陆培文实用阀门设计手册第二版表5-171公式，因为只有这个公式考 虑了径向偏心对密封面摩擦力矩的影响。(设计计算书见附件2)公式中之所以去除了动水力矩，是因为动水力矩只存在阀门非关闭状态，且阀瓣对流通介质 有流阻产生情况下。此时阀瓣就算是微启状态下密封圈也是完全脱离阀座的，所以是不存在密 封面摩擦力矩的。前面我们已经提到密封面摩擦力矩是占到阀门总扭矩的7080%的，在阀门 总扭矩中去除密封面摩擦力矩而加入动水力矩后的扭矩值甚至是远小于密封面摩擦力矩的。因 此不需要考虑动水力矩。静水力矩计算公式修改。按照阀门设计-沈阳阀门研究所编第十四章蝶阀的设计与计算14- 4公式的描述，静水力矩仅在关闭时阀杆处于水平位置才存在。指水平安装时，阀瓣全关后在 介质自重和介质压力作用下，阀瓣绕阀杆回转中心所产生的转动力矩。以下计算内容以 1800Ds943H-10C为
