三偏心蝶閥密封比壓分析與研究

2015-12-14 董研美卓自動(dòng)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(jì)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(jìn)閥門密封性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1、概述

　　三偏心蝶閥廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。該類閥門的最大特點(diǎn)就是改變了蝶閥的密封構(gòu)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(dá)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(zhì)壓力成正比，解決了閥門耐高壓高溫的問題。本文主要對(duì)三偏心金屬密封蝶閥密封面的密封比壓進(jìn)行計(jì)算分析。

2、三偏心金屬密封蝶閥的結(jié)構(gòu)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(dòng)，并且允許適度偏轉(zhuǎn)。閥座與蝶板的過盈配合值為S。閥門關(guān)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(zhuǎn)，形成兩個(gè)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(shè)計(jì)要求公稱直徑DN200，蝶板尺寸DN150，壓力等級(jí)ASME 600，閥體材料碳鋼，蝶板材料不銹鋼，閥座材料硬質(zhì)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(jī)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(duì)于密封面的密封比壓分布進(jìn)行計(jì)算，尋找閥門泄漏的原因，改善設(shè)計(jì)。

三偏心蝶閥密封比壓分析與研究

圖2 密封結(jié)構(gòu)

表1 樣品泄漏測試實(shí)驗(yàn)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(shí)滿足ANSI /FCI70- 2- 2006Class VI 氣測和Class V 水測密封標(biāo)準(zhǔn)，而氣測壓力很小，只需要0.35MPa，水測壓力則要達(dá)到11.25MPa。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為按氣測(工況一) 和水測(工況二) 兩種工況對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。

　　工況一，固定壓緊環(huán)的外端面，對(duì)蝶板施加轉(zhuǎn)動(dòng)位移。轉(zhuǎn)動(dòng)的起始位置是蝶板斜度最大邊與閥座產(chǎn)生接觸。結(jié)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(zhuǎn)動(dòng)2.13°。在蝶板轉(zhuǎn)到結(jié)束位置后，施加0.35MPa 的壓力于蝶板上，方向?yàn)橥苿?dòng)蝶板靠近閥座方向。

　　工況二，在工況一基礎(chǔ)上，增大壓力值至11.25MPa。

4、分析及改進(jìn)

　　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(gè)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(gè)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(huì)在此處發(fā)生泄漏。

三偏心蝶閥密封比壓分析與研究