偏心蝶阀的发展
早期的蝶阀因不能耐高温高压且泄漏量大,使其应用范围受到很大的限制。为满足各种工况要求,蝶阀先后经历了从同心向单偏心、双偏心和三偏心的演变。
同心蝶阀的结构特征为阀杆轴心、蝶板中心、本体中心在同一位置上,结构简单,制造方便。缺点是蝶板与阀座始终处于挤压、刮擦状态,阻距大,磨损快。为解决同心蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题,由此产生了单偏心蝶阀,其结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板中心,从而使蝶板上下端不再成为回转轴心,分散、减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压。但由于单偏心构造在阀门的整个开关过程中只是一定程度上减轻而并未消除蝶板与阀座的刮擦现象,在应用范围上和同心蝶阀大同小异,因此采用不多。
在单偏心蝶阀的基础上进一步改良成型的就是目前应用比较广泛的双偏心蝶阀。其结构特征为阀杆轴心既偏离蝶板中心, 也偏离阀门本体中心。
双偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅即脱离阀座, 大幅度地消除蝶板与阀座的不必要的过度挤压、刮擦现象, 减轻了开启阻距, 降低了磨损,延长了阀座寿命。刮擦的大幅度降低, 同时还使得双偏心蝶阀也可采用金属阀座, 提高了蝶阀在高温领域的应用。但因其密封原理属位置密封构造, 即蝶板与阀座的密封面为线接触, 通过蝶板挤压阀座所造成的弹性变形产生密封效果, 故对关闭位置要求很高(特别是金属阀座) , 承压能力低, 这就是为什么传统上人们认为蝶阀不耐高压,泄漏量大的原因。
要耐高温, 必须使用硬密封, 但泄漏量大; 要零泄漏, 必须使用软密封, 却不耐高温。为克服双偏心蝶阀这一矛盾, 又对蝶阀进行了第三次偏心。
如图1所示, 其结构特征是阀板形状为椭圆形锥体, 在双偏心的阀杆轴心位置偏心的同时, 使蝶板密封面的圆锥型轴线偏斜于本体圆柱轴线。也就是说, 三偏心蝶板的密封断面不再是圆形, 而是椭圆, 其密封面形状不对称, 一边倾斜于本体中心线, 另一边则平行于本体中心线。三偏心的特点就是从根本上改变了密封构造, 不再是位置密封, 而是扭力密封, 即不是依靠阀座的弹性变形, 而是完全依靠阀座的接触面压来达到密封效果。
如图2所示
偏心蝶阀的特点
三偏心蝶阀属于旋转阀, 其三偏心都放在了阀板上。在阀门制作过程中, 阀板的外边缘采用部分外球面结构(见图2) , 外偏心球面经抛光处理达到粗糙度R a 04, 球面镀铬或堆焊司太莱合金, 硬度达HRC 45~ 60。三偏心碟阀耐压达到26MPa, 耐温低至- 196 ℃ 、高达700 ℃ , 密封达到零泄漏。可见正是由于三偏心蝶阀创新的结构特性使其具有了如下主要特点。
1.集调节切断于一身, 操控性强。
新型三偏心蝶阀设计上采用双重安全构造,为防止因受流体压力、温度的影响而引起的蝶板变形、阀杆错位、密封面咬合, 在蝶板上下侧分别装有两个各自独立的止推环, 从而保证了阀门在任何工况下的正常工作; 为防止阀杆破损、飞出而造成突发事故, 在阀门下端内外两处设计了各自独立的阀杆飞出防止机构。
2.无死区设计，开启力矩小。
三偏心蝶阀阀板形状为椭圆形锥体, 其表面堆焊硬质合金, 耐磨性极好, 浮动式U 型不锈钢阀座具有自动调整中心的功能。当阀门打开时,椭圆形圆锥体密封面阀板先脱离U 形弹性阀座,然后再旋转; 关闭时阀板旋转, 在偏心轴的作用下阀板向弹性阀座进行自动调整中心, 对阀座施压使阀座变形直到阀座与阀板椭圆形圆锥密封面紧密吻合。做到了阀门开关时蝶板不刮擦阀座, 阀杆的扭矩通过蝶板直接传递至密封面, 开启力矩小, 从而杜绝了打开阀门时常见的跳跃现象, 即根除了死区(不感带)。这种无死区设计使三偏心蝶阀几乎可以从0 开度开始即进入可调控区域,直至90开度, 其调控比可高达1001 以上,为一般蝶阀的2倍。
3.零泄露、耐高温高压。
三偏心的特点就是从根本上改变了密封构造, 不再是位置密封, 而是扭力密封, 即不是依靠阀座的弹性变形, 而是完全依靠阀座的接触面压来达到密封效果。这种密封结构使三偏心蝶阀可以做到硬密封V I级, 达到真正的零泄露。同时, 由于金属阀座的选用和面密封的结构特性, 耐高温高压的问题也迎刃而解。此外, 三偏心蝶阀由于采用了本体阀座构造,使阀门结构更加紧凑, 并且减少了阀座直接接触介质的机会, 降低了阀座受冲蚀的程度, 还可有效地防止介质中的微小固形物的影响和热膨胀所可能引起的密封面咬合, 从而延长了阀座的使用寿命。新型三偏心蝶阀不但本体阀座可以更换, 而且蝶板密封面与蝶板是独立的, 蝶板密封面可也可以更换, 使维修成本大大降低。
偏心阀在石油化工装置中的应用
在大口径管线上, 使用截止阀的成本非常高且无法实现零泄漏, 在需要紧急关断的工况中, 必须在截止阀的旁侧加装切断阀。虽然V 型球阀也可以实现切断(零泄露)和调节, 但成本也要远远高于三偏心蝶阀。目前, 一般在DN300 mm 以上蝶阀已逐渐代替了闸阀。蝶阀与闸阀相比具有开闭时间短、操作力矩小、安装空间小和质量轻的特点。以DN1 000mm为例, 蝶阀约2t 而闸阀约35t 且蝶阀易与各种驱动装置组合, 有良好的耐久性和可靠性。正因为三偏心蝶阀与截止阀、球阀、闸阀相比具有显著的优点, 因此在石油化工行业的许多场合, 三偏心蝶阀都得到了成功的应用。
1.偏心蝶阀集调节与切断( 实现零泄漏)于一身, 在聚乙烯装置中有成功的典型应用。聚乙烯装置的反应器冷却水温度调节回路是该装置重要的组成部分, 温度调节回路是否能平稳运行直接决定了整套聚乙烯装置能否安全平稳运行。调温水管线为大口径( DN450 mm 以上) , 正常工况条件下, 三偏心蝶阀因其很高的调控比, 作为调节阀使用, 比普通调节阀更加稳定可靠, 当联锁发生时, 三偏心蝶阀还可以起到切断作用, 并且完全切断(零泄漏)。从实际应用情况来看, 不但节约了投资成本, 而且控制的特别稳定。
2.乙烯装置裂解炉出口的清焦阀是石油化工行业中使用条件比较苛刻的一种阀, 工艺介质中的碳颗粒可能积聚在阀门的密封面上引起密封面咬合而使阀门不能正常开关, 甚至缩短阀门的使用寿命。与其它类型的阀门相比, 三偏心蝶阀以其独特的结构特点成为理想的选择。
3.各炼油厂催化裂化装置烟气轮机的入口管线的切断和调节, 由于工艺管线口径很大, 工艺介质为高温烟气(高达750℃ ), 使用阀门主要采用三偏心蝶阀, 国内装置的阀门尺寸已经达到DN1 800mm, 配备液压执行机构关闭时间小于05 s; 其它如主风机入口出口管道和放空阀, 气压机入口、出口管道, 去火炬放空阀, 油浆泵出入口, 各种高中低压蒸汽管线的调节和切断等也大量选用三偏心蝶阀。液化石油气非常容易泄漏,既要满足大的流通能力又要避免泄漏, 在其储罐进出口主管线上使用三偏心蝶阀更加可靠。此外, 在硫磺回收装置中, 需要熔融状态输送的液硫, 目前均选用带蒸汽夹套的三偏心蝶阀。
总结
通过以上蝶阀的演变过程及结构特点可见,三偏心蝶阀作为阀门科技的结晶, 扬各种阀门之长、避各种阀门之短, 已受到广大用户和设计人员的重视并得到广泛的应用。