三偏心蝶阀密封压力影响因素分析

杨恒虎，郝娇山，王伟波，廖 静

(1.重庆川仪调节阀有限公司，重庆 401121； 2.重庆川仪自动化股份有限公司技术中心 调节阀研究所，重庆 400707)

引言

三偏心蝶阀是由中线蝶阀、双偏心蝶阀逐步演化而来[1]，通过独特的3个偏心，使得蝶阀由位置密封变为扭力密封[2]，极大地提高了蝶阀的密封性能，降低了对执行器配置，兼具调节与截止双重作用[3]；相较于其他截止阀，具有口径大、流通能力强、价格低廉等优点[4-5]，广泛应用于石油化工、液化天然气、市政建设、农业灌溉等行业[6-7]。目前市场制造的三偏心蝶阀密封圈多采用金属与非金属相间排列的多层次密封圈结构，各层密封圈之间通过粘胶粘接为一个整体。但多层次密封圈在使用过程中存在以下局限性：

(1) 密封圈各层之间的粘胶存在使用温度上限，过高温度会致使粘胶失效；

(2) 三偏心蝶阀开启后，流体介质直接冲刷密封圈密封面，非金属密封面易受介质冲刷而失效，缩短了三偏心蝶阀使用寿命。针对上述局限性，全金属密封圈应运而生，主要有两种结构：多个金属圈粘接为1个密封圈和1个金属密封圈；但全金属密封圈密封性能大大降低，不能达到相应的泄漏等级要求。

目前众多学者也对三偏心蝶阀进行了各项研究。俞钧[8]推导了三偏心蝶阀密封压力解析公式，但相关推导公式是基于密封面各处压力相同的假设而建立，且未计算蝶阀关闭时，执行器输出的预紧扭矩对密封压力的影响；董研[9]运用ANSYS Workbench模拟分析了三偏心蝶阀密封压力，表明三偏心蝶阀密封面接触压力呈现不连续状态；杨恒虎[10]采用有限元软件对三偏心蝶阀介质反向流时，多层次密封圈与全金属密封圈密封压力进行了初步分析，并未深入研究密封面密封压力的影响因素；徐滟等[11]、何庆中等[12]均采用有限元分析软件对3个偏心与密封性能关系进行了研究分析，未对其他结构因素进行分析。为全面探究三偏心蝶阀密封性的影响因素，运用有限元分析软件ANSYS Workbench对不同状态下的三偏心蝶阀密封圈与阀座间的密封压力进行模拟分析，对三偏心蝶阀的结构设计与优化具有重要意义。

1 有限元模型建立

1.1 三维模型

以VBJG DN250 Class150 多层次三偏心蝶阀的三维模型为基础，建立工况分析所需的三维模型，其主要的结构参数为轴向偏心27 mm，径向偏心4 mm，角偏心8°，半锥角15°。为提高计算效率，对三维模型进行简化重建，去掉对此次模拟分析影响甚微的零部件，如支架、执行器、法兰盘，简化完成后三维模型仅保留压圈、蝶板、密封圈、阀轴、阀体、螺栓6部分；为便于查看其内部结构，此处采用三维半剖图，如图1所示。阀座为整体式阀座，与阀体合二为一；密封圈通过压圈与螺栓压紧在蝶板上，阀轴与蝶板采用销连接。当蝶阀关闭时，执行器输出扭矩通过阀轴与蝶板带动密封圈按图中所示方向旋转，使密封圈压紧在阀体上的密封面，从而实现密封。

图1 三偏心蝶阀简化后三维半剖图

1.2 网格划分

网格划分涉及计算效率、计算精度与收敛性；当网格较大时，计算精度、收敛性差，求解速度快；当网格较小时，则刚好相反。为平衡三者的关系，针对本次分析模型为三维实体模型，各部件之间存在众多接触问题，因此，对整体采用带中间节点的高阶实体单元，以提高非线性求解收敛性。为减小网格数量，可对整机采用六面体为主的网格进行划分。当密封圈结构为多层次时，每层密封圈较薄，最小厚度为1 mm，为更好的模拟物理场，对密封圈上接近密封面小块区域划分为2层网格。对与密封圈密封面相配合的阀座密封面，进行相应细化。划分好的网格数量约为35.8万，节点数量约为57万，如图2所示。

图2 三偏心蝶阀网格示意图

1.3 接触及边界条件设置

ANSYS Workbench对各部件接触面预设为绑定接触关系，但有些零部件之间为非绑定关系，需对不符合实际情况的接触关系进行修改。此处，需将密封圈与阀座、密封圈与压圈、密封圈与蝶板之间的接触修改为摩擦接触，使之符合实际情况。对于密封圈多层次结构，各层之间的接触依据表1工况进行设置，其余各处零部件接触保持默认的绑定即可。

表1 三偏心蝶阀不同状态下的密封圈参数

在实际工况中，三偏心蝶阀关闭时，同时承受阀杆预紧扭矩和介质压力双重作用。由于偏心作用，介质压力的不平衡性将产生1个使蝶板继续关闭的扭矩；此外，作用于蝶板的介质压力将密封圈推向阀座，产生挤压作用，增大密封压力，利于密封；因此，可不考虑介质压力对密封压力影响，负载只需加载预紧扭矩1000 N·m即可。如图3所示，边界条件设置如下：

图3 边界条件的设置

(1) 在阀轴上截取一圆柱曲面，用于施加执行器的输出扭矩；

(2) 在实际使用中，三偏心蝶阀与管路通过螺栓连接，因此，固定约束施加在阀体两端面，避免蝶阀整机的刚性位移和固支约束引起的结构强度增加；

(3) 在螺栓上添加相应的螺栓预紧力，使密封圈压紧在阀板上。

2 密封压力模拟分析结果

三偏心蝶阀为扭矩旋转挤压式密封结构，其密封面为斜置圆锥的环面；关闭时，需密封圈整个环面各处均未发生泄漏，才能实现密封。据研究，三偏心蝶阀各处密封面间压力分布不均匀[9]，因此，其密封性能不可以密封面上最大密封压力为评判依据，需以密封环上能否形成连续完整压力环以及压力环中的最低压力值为评判依据。为获得密封圈密封压力分布情况，对表1所示各工况下的密封压力进行有限元模拟分析，其结果如下。

2.1 工况一密封压力分析结果

工况一为目前三偏心蝶阀广泛应用的金属与非金属相间的多层次密封圈，其各层密封圈间用粘胶粘接为一体，故采用绑定接触，螺栓预紧力为8022 N、预紧扭矩为1000 N·m，压圈和密封圈总厚度均为8 mm。图4为工况一的密封圈密封面上压力分布云图。其密封压力存在以下分布规律：

图4 工况一密封压力分布云图

(1) 各层密封圈均能形成一定密封压力环面；

(2) 密封圈各处密封压力分布不均匀，其中最大密封压力为66.7 MPa，最小密封压力为0；

(3) 金属密封圈密封压力分布在18 MPa左右，非金属密封圈密封压力分布在1.5 MPa左右；

(4) 密封圈大端与小端区域密封压力分布规律恰好相反；对于密封圈大端区域，密封压力主要集中在密封面后端，约为18 MPa；对于密封圈小端区域，密封压力主要分布在密封面前端，约为35 MPa，但仅分布在密封圈的边缘上，密封性能明显弱于大端区域；

(5) 密封圈大端与小端相反的密封压力分布规律，致使密封压力在阀轴附近形成过渡区，其密封压力可达17 MPa。

因此，三偏心蝶阀多层次金属与非金属组合密封圈，在1000 N·m的关闭扭矩下，可形成17 MPa密封压力环面。

2.2 全金属多层次密封压力分析结果

工况二、三、四密封圈的结构型式仍为多层次结构，但其材质均为SUS304，探索密封圈材质和密封圈各层接触关系对三偏心蝶阀密封压力的影响。其中，工况二的各层密封圈接触关系为绑定，即各层密封圈间用粘胶粘接为整体，各层之间不存在相对滑移；工况三的各层密封圈间的接触关系为不分离，允许各密封圈之间在径向上具有可滑移性，但各密封圈在轴向上不会发生分离；工况四的各层密封圈间的接触关系为摩擦，允许密封圈在轴向和径向均可发生分离。

图5a为工况二下的三偏心蝶阀密封压力分布云图，其密封压力分布特点为：对于密封面大端区域，密封压力主要集中在后端，而密封面小端区域，密封压力主要集中在前端且密封压力在阀轴处形成压力为3.6 MPa 的过渡区，因此工况二所述密封圈仅能形成3.6 MPa的密封压力环面。对比图4可知，多层次全金属密封圈降低了密封圈的密封压力分布均匀性和密封压力过渡区的压力值，降低了密封性能。

图5b、图5c 分别为工况三、四下的三偏心蝶阀密封压力分布云图，两种工况的密封压力分布规律基本相同，整体密封压力分布均匀，整个密封圈可形成7.8 MPa的密封压力环面，因此，多层次密封圈轴向上的可滑移性，对三偏心蝶阀密封压力的影响较小。对比图4和图5a可知，多层次密封圈径向上的可滑移性，能有效改善密封圈密封压力分布均匀性，提高密封压力过渡区的压力值，极大地提高三偏心蝶阀密封圈的密封性能。

图5 全金属多层次密封压力分布云图

2.3 全金属单层次密封压力分析结果

工况五分析了4.8级、6.8级、8.8级、10.9级标准螺纹连接预紧力即8022，12033，16044，22562 N下，单层密封圈密封压力分布情况。通过对比发现，不同螺栓预紧力下的密封压力分布规律基本相同，限于篇幅，此处仅给出了8.8级螺栓预紧力下密封压力分布云图，如图6a所示。对比图5a可知，其密封压力分布规律与工况二保持一致，两者仅在密封压力数值上存在微小差异，因此，当多层次全金属密封圈各层之间为绑定关系时，可等效为单层金属密封圈。通过软件读取4种螺栓预紧力下，密封圈的密封压力可知，最大密封压力分别为44.4，50.6，44.0，42.0 MPa，而过渡区的密封压力分别为3.9，3.6，3.1，3.0 MPa。因此，三偏心蝶阀的密封性能随螺栓预紧力的增大而降低，下降幅度较小。结合图5c 可知，单层金属密封圈的密封压力分布均匀性和过渡区密封压力值远弱于多层次全金属密封圈。

图6 全金属单层次密封压力分布云图

图6b为工况六下，三偏心蝶阀密封压力分布云图。由图可知，当压圈加厚10 mm后，密封圈小端区域的密封压力分布由密封面前端移至后端，其中密封面大端区域的密封压力为15.8 MPa左右，密封面小端区域的密封压力为12.1 MPa左右，薄弱区的密封压力约为10 MPa。结合图6a可知，压圈加厚改变了密封压力分布规律，使得密封面无明显的密封压力过渡区且极大提高了阀轴附近的密封压力值，提高了密封性能。

图6c为工况七下，三偏心蝶阀密封压力分布云图。其密封大端区域的密封压力为50 MPa左右、密封小端区域的密封压力为46 MPa左右，可形成6 MPa的密封压力环。结合图6a可知，密封圈变薄，密封压力的整体分布规律与工况五保持一致，可提高了过渡区密封压力值，利于密封，但对过渡区密封压力改善不明显。

3 结论

通过对7个工况下，三偏心蝶阀密封压力的模拟分析，得到了各工况密封圈上密封压力的分布规律以及过渡区密封压力值，通过分析可得如下结论：

(1) 三偏心蝶阀密封压力影响因素，除了结构参数外，还包括密封圈的型式、螺栓预紧力、压板厚度、密封圈厚度等，在设计时，应依据各因素对密封压力的影响规律，选用合适结构及尺寸，提高密封性；

(2) 三偏心蝶阀密封压力分布不均匀，以阀轴为中心，两端的密封压力分布规律相反，在阀轴附近形成低压力过渡区，其为影响三偏心蝶阀密封性的关键区域；

(3) 通过对比分析结果可知，三偏心蝶阀采用多层次密封圈、增大压圈厚度可改善密封压力分布均匀性，提高过渡区密封压力值，是实现全金属密封圈的一条有效途径。