三偏心蝶閥密封比壓分析與研究

2015-12-14 董研美卓自動化( 上海) 有限公司

　　通過有限元軟件ANSYS Workbench 模擬分析了三偏心金屬密封蝶閥的密封原理，計算得出閥門主要密封面的密封比壓值及分布情況。給出了改進閥門密封性能的優(yōu)化設計方法。

1、概述

　　三偏心蝶閥廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。該類閥門的最大特點就是改變了蝶閥的密封構造，不再是位置密封，而是扭矩密封。即不是依靠閥座的彈性變形，而是完全依靠閥座的接觸面壓力達到密封效果。解決了金屬閥座零泄漏的難題。因接觸面壓力與介質壓力成正比，解決了閥門耐高壓高溫的問題。本文主要對三偏心金屬密封蝶閥密封面的密封比壓進行計算分析。

2、三偏心金屬密封蝶閥的結構與密封原理

　　三偏心金屬密封蝶閥由閥體、蝶板、閥座、壓緊環(huán)和閥桿等部件組成(圖1) 。U 形閥座處于閥體與壓緊環(huán)之間，具有間隙G。閥座可以在徑向方向移動，并且允許適度偏轉。閥座與蝶板的過盈配合值為S。閥門關閉的過程中，蝶板斜度較大的一面先接觸閥座，閥座發(fā)生適度偏轉，形成兩個密封面，即閥座與蝶板之間的密封面，以及閥座與壓緊環(huán)之間的密封面(圖2) 。

　　閥門設計要求公稱直徑DN200，蝶板尺寸DN150，壓力等級ASME 600，閥體材料碳鋼，蝶板材料不銹鋼，閥座材料硬質合金，壓緊環(huán)材料不銹鋼，氣測密封要求ANSI/FCI 70- 2- 2006 Class VI，水測密封要求ANSI /FCI70- 2- 2006 Class V。

三偏心蝶閥密封比壓分析與研究

圖1 三偏心金屬密封蝶閥

　　閥門樣機泄漏測試數(shù)據(jù)(表1) 顯示，其無法滿足密封要求。利用有限元分析軟件ANSYS Workbench，對于密封面的密封比壓分布進行計算，尋找閥門泄漏的原因，改善設計。

三偏心蝶閥密封比壓分析與研究

圖2 密封結構

表1 樣品泄漏測試實驗數(shù)據(jù)

三偏心蝶閥密封比壓分析與研究

3、分析模型

　　分析模型為蝶板、U 形閥座以及壓緊環(huán)。蝶板與閥座過盈配合值S 為0.15 mm。蝶板與閥座之間和閥座與壓緊環(huán)之間為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.1。由于閥門需要同時滿足ANSI /FCI70- 2- 2006Class VI 氣測和Class V 水測密封標準，而氣測壓力很小，只需要0.35MPa，水測壓力則要達到11.25MPa。因此，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為按氣測(工況一) 和水測(工況二) 兩種工況對模型進行計算。

　　工況一，固定壓緊環(huán)的外端面，對蝶板施加轉動位移。轉動的起始位置是蝶板斜度最大邊與閥座產(chǎn)生接觸。結束位置是蝶板底面與水平面平行的位置。蝶板繞軸心位置轉動2.13°。在蝶板轉到結束位置后，施加0.35MPa 的壓力于蝶板上，方向為推動蝶板靠近閥座方向。

　　工況二，在工況一基礎上，增大壓力值至11.25MPa。

4、分析及改進

　　通過分析可知，三偏心蝶閥的密封比壓分布是不連續(xù)的，最小值發(fā)生在與蝶板斜度最小區(qū)域接觸的位置。兩個密封面的密封比壓差異較大。閥座與蝶板之間的密封比壓大于允許最小密封比壓，滿足密封要求，但是過大的密封比壓易造成閥座的疲勞破壞，影響閥門使用壽命。另一個密封面存在于閥座與壓緊環(huán)之間，此處局部密封比壓小于允許最小密封比壓，閥門會在此處發(fā)生泄漏。

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