上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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摘要:对蝶阀设计应注意的流阻、强度、刚度和结构等问题进行了论述,对蝶阀选用时应考虑的温度、压力、密封及材料等问题提出了建议。

关键词:蝶阀;设计;选用;

1 概述

蝶阀是给水排水管路系统中的一个重要装置随着工业技术的进步,对蝶阀的结构及性能提出了不同的要求。因此,在设计及选用时应根据工况条件,对其类型、材料和连接形式等做出合理的选择。

2 设计

2.1 结构

蝶阀的关闭件(蝶板)在介质中间,设计时应考虑其对流阻的影响。

  1. 关于大口径蝶阀蝶板的结构,AWWA C504(美国给水工程协会标准)规定,蝶板不应有横向筋,其厚度不得大于阀杆直径的 2.25 倍。
  2. 蝶板的迎水面和出水面应呈流线型。
  3. 内部螺钉不能凸出在蝶板外面,以免增加迎水面积。

国外某公司生产的蝶阀为了减小流阻将蝶板做成铁饼形,也有公司将小型蝶阀蝶板做得很薄,而水电管网上用的蝶阀在全开位置时蝶板有导流件,都是为了减小流阻。我国 JB/T 53171-1999 标准也将国际标准 ISO/TC 153/SC1GT8-37的流阻和流量系数(见《表 1》)列入其中,这说明流阻是一个重要指标。

《表 1》蝶阀的 C (Kv)、K (ξ) 值
公称通径 DN
mm
公称压力 PN/MPa
小于 16 20.25
C (Kv) K (ξ) C (Kv) K (ξ)
40 50 64 40 2.56
50 80 1.33 45 2.37
65 150 1.27 120 1.98
80 250 1.05 200 1.64
100 400 1.00 300 1.78
125 650 0.92 450 1.93
150 1000 0.81 800 1.26
200 1900 0.71 1500 1.14
250 3100 0365 2500 1.00
300 4700 0.59 3600 1.00
350 6700 0.53 5400 0.82
400 9000 0.51 7000 0.84
450 11500 0.50 9500 0.73
500 14000 0.50 12000 0.69
600 21000 0.47 18000 0.64
700 30000 0.43 25000 0.61
800 41000 0.39 35000 0.53
900 53000 0.37 46000 0.50
1000 67000 0.35 58000 0.48
1200 100000 0.35 87000 0.44

2.2 橡胶密封圈

有时橡胶蝶阀使用寿命较短,这与橡胶质量及密封面宽度有关。橡胶密封蝶阀的密封圈应选用优质的橡胶材料制造,在压制成型时应遵守工艺规程,不能任意提高硫化温度,缩短时间,否则容易造成密封圈老化和开裂。与橡胶密封圈配合的金属密封面应有足够的宽度,否则橡胶密封圈不易嵌入。另外,阀体及蝶板的形位公差、对称度、精度、光洁度、密封圈的压弹量等也影响橡胶密封圈的使用寿命。

2.3 刚度

刚度是蝶阀设计中的重要问题,它与蝶板、阀轴及连接等因素有关。

(1)阀轴尺寸 AWWA C504 中规定了阀轴尺寸。阀轴尺寸达不到要求,可能出现刚度不够,反向密封泄漏,开启力矩大等现象。轴的刚度与 1/EI 有关,也就是说要提高刚度减小变形问题应该从提高 EI 着手。E 是弹性模量,一般钢材差别不大,选用好的材料对刚度影响不大。I 是惯性矩,与轴的截面尺寸有关。阀轴的尺寸一般按弯扭合成计算,它不仅与扭矩有关,而且主要与弯矩有关,尤其大口径蝶阀弯矩比扭矩大得多。

(2)轴孔配合 AWWA C504的旧版本中规定,蝶阀轴是一根直通的整轴。1980 版本以后,提出可以做成两段短轴。AWWA C504及 GB12238 规定,轴与孔的嵌入长度应为 1.5d。日本蝶阀轴向尺寸中阀体内边缘与蝶板支承端之间的间隙(C 值)给出规定,一般与口径大小有关,在 25~45mm 之间,也就是尽量减小轴支承间的距离(C 值),从而减小轴的弯矩和变形。

(3)蝶板结构 蝶板结构形式与刚度有直接关系,因此除平板形外多做成锅形或桁架形。总之是为了增大断面的惯性矩,以提高刚度。

(4)阀体结构 大口径蝶阀阀体设计中也存在刚度问题。一般有圈筋和横筋,实际上横筋只是增加稳定性,不宜太多,主要是圈筋。如果能加∩形筋则对刚度更有利,但存在工艺性差的问题。

2.4 自润滑轴承

蝶板上所受介质压力大部或全部(反向)是通过轴传递到轴承上去的,因此轴承起到非常重要的作用。国外蝶阀有的转动很轻巧,小口径阀门一个手指都能转动,而国产蝶阀有的转动却很沉重,这除了与同轴度、对称度、加工精度、光洁度和填料的质量有关之外,很重要的一个因素就是轴套材料的润滑性。AWWA C504 标准提出,阀体中安装的轴套或轴承应属于自润滑材料,轴套存在减磨润滑问题,不允许锈蚀。没有轴套,即使阀轴是不锈钢,阀体也有锈蚀及胶合粘着问题。采用轴套还可以增加刚性。

2.5 轴与蝶板的连接

小口径蝶阀的轴与蝶板采用键或花键连接为宜,也可以采用多边形轴连接或销钉连接,大口径蝶阀的轴与蝶板多采用键或锥销等连接。目前轴与蝶板采用销连接的比较多。在恶劣的工况条件下连接销有损坏现象,这主要是由于制造的原因,其中吻合精度不好,销子尺寸选择不合适,销子硬度不够或采用材料不合适等应引起注意。大型蝶阀的轴与蝶板可采用特殊的方法进行连接。

2.6 结构长度

蝶阀的结构长度向短系列发展,但这样的做法要慎重。因为结构长度太短对强度有影响。国际标准对法兰蝶阀短系列结构长度做出了规定,但是压力较高的阀门结构长度不宜改短,否则会出问题,尤其是铸铁等脆性材料。

3 选用

3.1 类型

蝶阀有单偏心、斜板式、中线型、双偏心和三偏心等不同结构。介质压力通过蝶板作用在阀轴及轴承上,因此在高压小口径流阻很大时,其轴径和蝶板厚度都相应增加,如果采用闸阀球阀截止阀,从密封及流阻等方面分析比采用蝶阀合适。

近几年来,在水系统中软密封闸阀的出现改善了闸阀容易沉淀泥沙的缺点,其流阻比较小,可以在线维修,用于中小口径非常合适,因此逐渐得到了应用。

3.2 密封副

金属密封蝶阀的主要优点是密封可靠、寿命长、耐高温,不易损坏和撕裂,承压能力高。因此近些年来应用较多,尤其用于工程系统的关键部位。橡胶软密封蝶阀如果设计制造优良可以得到很好的密封,而且大口径容易做到在线换圈。但是橡胶存在老化问题,只能用于温度不高的工况条件下,因此广泛应用在自来水及供水系统。

国外金属密封蝶阀也用于火电厂的泵站、凝汽器、抽汽系统及换热系统,核电站还用于压力壳隔离、喷淋系统及盐水等,石油精练系统中的储油隔离、蒸汽供给阀、脱硫系统和尾气处理、热裂解及催化单元中。还有石油化工厂、深冷、浆液和造纸等系统。

对于中温中压工况选用金属密封蝶阀较好。对于要求阀门可靠性高,寿命长,长期不宜更换的地方,也应该选用金属密封蝶阀。

对用于常温水的阀门,如果不是要求很高,长期不更换或更换不方便的地方,则宜采用软密封结构的蝶阀。如果橡胶质量能够保证,水用大口径蝶阀仍应以橡胶阀座蝶阀为主。

4 结语

新工艺及新材料的不断出现,将提高蝶阀的结构性能,扩大蝶阀的使用范围,并对蝶阀的设计和选用提出更新的要求。


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