三偏心蝶阀的结构特点及相关设计分析

龚忠华

（浙江三方控制阀股份有限公司，浙江 富阳 311400）

1 引言

三偏心蝶阀作为一种直角旋转阀，具有优良的关断特性：频繁操作条件下，长周期的循环使用寿命和良好的双向服务功能。作为经济各领域中成套设备的关键产品，大直径、高温、高压三偏心金属硬密封蝶阀是国家重点攻关新产品，本文主要就三偏心蝶阀的结构相关问题进行探讨。

2 三偏心蝶阀结构概述

由于在双偏心的基础上，将阀座中心线与蝶板密封面中心线形成一个角度为α的偏置，当三偏心密封蝶阀处于完全开启状态时，蝶板密封面会完全脱离阀座密封面，由于α角偏置的形成会使长、短半径的蝶板变化，蝶板密封面转动轨迹的切线与阀座密封面形成两个夹角。因为这两个夹角的存在，蝶阀开启时，蝶板密封面会在开启的瞬间立即脱离阀座密封面；在关闭时，只有在关闭的瞬间，蝶板的密封面才会接触并压紧阀座密封面，从而彻底消除了蝶板启闭时蝶板密封副两密封面之间的机械磨损和擦伤。而在蝶阀关闭时，其密封副两密封面之间的密封比压可以由外加于蝶板转轴的驱动转矩产生，不仅消除了常规蝶阀中弹性阀座弹性材料的老化、冷流、弹性失效等原因造成的密封副两密封面之间的密封比压降低和消失，而且可以通过对外加驱动转矩的改变实现对其密封比压的任意调整，从而使三偏心密封蝶阀的密封性能和使用寿命得到大大的提高。由于三偏心金属密封蝶阀具有诸多优点，近年来逐步应用于发电厂、钢铁厂、炼油厂、化工厂等，其流体介质包括蒸汽、水、油类和其他腐蚀介质等。［1］另外，三偏心金属密封蝶阀的参数主要有轴向偏心、径向偏心、角偏心、蝶板锥度、蝶板密封厚度、蝶板厚度等。

3 三偏心金属密封蝶阀的主要技术特征

这里分析的三偏心金属密封蝶阀是由阀门制造厂家生产的用于变压真空吸附制氢（VPSA）气体分离装置的程序控制阀，其具有以下技术特征：［2］

（1）扭矩密封：彻底改变了位置密封阀中由阀座弹性提供密封比压的方式，由外加扭矩提供密封比压。使阀门严密关断并与介质的流向、压力无关。

（2）弹性金属对金属密封结构：弹性金属密封圈在外加扭矩作用下，与阀座接触，使得弹性金属密封圈与金属阀座之间的接触角产生轻微变形，使得密封圈发生柔动和径向压缩。由于阀座与密封圈之间均匀接触及密封圈的柔性，使阀座 360 °周围均匀密封比压，从而用最小的扭矩实现了最严密的关闭。

（3）阀门轴：阀门轴采用通杆结构，由高强度合金钢制成。与蝶板采用双键连接，锥销固定。阀杆设计为防冲出型，以免在阀杆与阀板联结处发生断裂时，阀杆崩出。设计安全可靠。

（4）轴承和填料设计：采用四轴承结构设计，轴承采用高强度涂层自润滑滑动轴承，支承可靠、强度高、寿命长。填料、填料压环采用柔性石墨环设计。填料压环采用两件式球形接触面结构，保证填料正向均匀压紧。

（5）密封圈：密封圈外形为与阀座相配合的斜置几何设计，由密封圈压圈夹持在蝶板上，易于安装和更换。密封圈径向设计有一定的间隙量，保证密封圈合适的弹性。密封圈后断面设计一个W形不锈钢石墨缠绕密封圈，保证密封圈端面双向密封。

（6）在比较纯净的介质中，阀门开关设计寿命可达100万次。

（7）双向泄露等级达到 ANSI FCI－70－2－1991 VI级。

（8）执行机构：标准配置为液压驱动机构，同时可选配手动、电动、气动或是联合驱动机构。

4 三偏心蝶阀的流体动力特性计算分析

在实际工作条件下，当阀门为改变流量而开大或关小时，流体液柱动能的变化会造成管路中静压的瞬时变化。在液体中这种静压的瞬时变化常常引起管路的振动，产生像锤击的声音，因而得名为水击。这种压力的瞬时变化不是沿着整个管路同时立即发生的，而是从变化的起始点逐步扩散开的，例如，当在管路一端的阀门快速关闭时，只有阀门部位的流体分子能立即感受到阀门的关闭，然后流体分子中积聚的动能压缩流体分子并使相邻的管壁胀大，其部分的流体仍然以原来的速度流动，一直到整个流体平静为止。

压缩区向管路进口端扩张的速度是均匀的，并且等于管路内流体的声速。当压缩区到达进口管路末端时，所有流体就处于静止状态，但压力高于正常静压。这个压差在这时产生了一个向相反方向的流动，从而解除了静压的升高和管壁的胀大。当这一压降波到达阀门时，整个流体又重新处于正常静压之下，但流体继续向进口末端流动，从而在阀门处又开始产生了—个低于正常压力的压力波。当这个低压的压力波往返一周后，就恢复了正常的压力和起始的流体流动方向。这种往返一直要重复到由于摩擦和其他原因使流体动能耗尽为止。

4.1 计算机仿真模型建立

为了解决三偏心蝶阀在启闭时计算流体介质对蝶板冲击的问题，本课题采用FLOWMASTER Ltd.公司自主开发的面向流体系统仿真的软件平台FLOWMASTER。其主要凭借其内置的一维流体动力系统解算器，及面向工程流体系统仿真软件包，已经得到了航空航天、汽车、舰船、能源化工、水力浆站等工业领域越来越多的应用。

该装置采用的工艺流程总共有十二个吸附塔，其中有两个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态，整个吸附过程由吸附、连续八次均压降压、逆放、抽真空、连续八次均压升压和产品最终升压等步骤组成。从整个工艺流程来看，只有吸附过程、逆放过程和抽真空过程中三偏心蝶阀有启闭动作，其余过程三偏心蝶阀均处于关闭状态。

4.2 仿真结果分析与讨论

（1）从吸附过程蝶阀关闭时压力变化的数据来看，在三偏心蝶阀关闭的整个过程中，压力有一个明显的上升但变化并不大，约为1 bar左右。所以，虽然流体介质的压力大，流速高体积大而密度很小，而且在阀门关闭时流体介质自身会产生体积的压缩，难以对阀门造成很大冲击，因此该管网模型只改变管道流体为水介质，经过软件分析计算，在阀门关闭的瞬间，压力升高近70 %。

（2）单塔的压力最大值P＝40.0932 bar，双塔的压力最大值P＝40.1407 bar；双塔的压力最大值大于单塔的压力最大值。因为双塔为对称布置，当阀门关闭时，流体产生的压力波会叠加，因此双塔的压力波动值大于单塔的压力波动值，仿真计算结果也是合理的。

（3）从最大压力降的时间来看，双塔最大压力发生在蝶板关闭约78.97 °时；而单塔最大压力发生在蝶板关闭约78.6 °时，产生最大压力的时间基本一致。当蝶板接近完全关闭时，此时流体对蝶板产生的冲击最大，在最大压力作用下蝶板的变形和位移也是最大的。蝶板与阀体密封面发生干涉的可能性也越大。

5 结束语

结合工程实际需求，以三偏心蝶阀在变压真空吸附制氢装置中的实际使用为例，根据三偏心蝶阀的实际工况的受力状况，采用商用软件对三偏心蝶阀在吸附状态下关闭时的流场进行动力计算，分析了三偏心蝶阀在蝶板关闭过程中管路流体介质对阀门的整个过程，得出在蝶板即将关闭瞬间流体对蝶板的压力为最大。

1 余 龙、俞树荣.三偏心蝶阀蝶板性能分析［J］.流体机械，2007.35（10）

2 陈晓霞、邢静忠.CAD/CAE集成的三偏心蝶阀参数化设计［J］.工程图学学报，2009.30（1）