摘 要：分析了三偏心蝶阀在反向受压时存在的问题，介绍了一种新型浮动阀座双向金属密封蝶阀。给出了阀门阀座与阀体的改进结构及相关部件性能参数的计算过程。

关键字：蝶阀 浮动阀座 双向密封 金属密封

符号说明

D_MW———锥形密封面外径，mm

D_MN———锥形密封面内径，mm

f_M———密封面摩擦系数

α———密封面锥半角，（°）

q_MF———密封面必须比压，MPa

b_M———密封面宽度，mm

P_N———设计压力，MPa

n———弹簧数量

F———弹簧力，N

k———弹簧劲度系数，N/mm

△s———弹簧压缩变形长度，mm

R———蝶板密封半径，mm

f_M———密封面间摩擦系数

h———阀杆与蝶板中心的偏心距，mm

M_C———阀杆轴承处摩擦力矩，N·m

Q_C———作用在阀杆轴承上的载荷，N

f_C———阀杆轴承处摩擦系数

d_F———轴承处阀杆直径，mm

D———蝶板直径，mm

M_T———填料处摩擦力矩，N·m

Q_T———阀杆与填料间摩擦力，N

f_T———阀杆与填料间摩擦系数

b_T———填料宽度，mm

M_j———静水力矩，N·mm

ρ———静水重度，N/mm³

M_d———动水力矩，N·mm

M_M———密封面摩擦力矩，N·m

e———二次偏心距，mm

Q_MZ———密封面实际密封压力，N

W———抗扭截面系数，mm³

［τ］———阀杆许用剪应力，MPa

d₀———锥销公称直径，mm

d_FT———连接驱动装置处阀杆直径，mm

b———平键宽度，mm

t———平键深度，mm

1 概述

目前，蝶阀作为一种实现管路系统通断及流量控制的部件，已在冶金、石油、化工及水电等领域得到极为广泛的应用。中线衬胶蝶阀（图1）蝶板回转中心与阀体中心重合，结构完全对称，是较为适合要求双向密封工况系统的双向密封蝶阀。但是，衬胶蝶阀只能适用于工作温度较低的场合，当工况温度较高，同时又需要实现双向密封的情况下，就需要采用双向金属密封蝶阀（图2）。在实际运用中，一般在原双偏心或三偏心金属密封蝶阀的基础上，通过适当增加阀轴直径及驱动装置输出扭矩等办法来保证双向密封性能，但是这种结构只适用于低压工况。当反向压力较高时，偏心值产生的偏心力矩使得蝶板产生脱离密封面运动的趋势不能通过增加阀轴直径及驱动装置输出扭矩抵消，导致阀门失去反向密封性能。浮动阀座双向金属密封蝶阀的研发设计保证了蝶阀在管道中反向受压的情况下，仍能保证可靠密封，并且该阀门具有耐磨损、耐腐蚀及使用寿命长等优点。该阀门适用于冶金、石油及化工等行业中有双向密封要求的管道中。

图1 中线衬胶蝶阀

图2 金属密封蝶阀

2 结构原理

浮动阀座双向金属密封蝶阀（图3）延续了三偏心金属密封蝶阀的主要结构，保留了金属密封蝶阀越关越紧、密封面接触时间短、磨损小等优点，又重点考虑了在高压工作时阀门反向承压的密封性能。在结构上，改进了传统的阀座与阀体一体结构，使得阀座与阀体分离，阀座在阀体内可以游动，且阀座的移动量可通过螺钉调节，保证不同压力工况下的密封要求。

当阀门处于关闭空载状态时，阀座与阀体支撑座之间没有空隙。正向受压时，偏心力矩与介质力使得密封圈楔入阀座，而阀座由于阀体支撑圈的作用不会发生位移，偏心力矩与介质力会使蝶板向利于密封方向移动，保证正向的密封性能。反向受压时，一般三偏心蝶阀由于偏心力矩与介质力的作用，蝶板会产生使密封圈脱离阀座密封面的变形。同时，由于加工误差，蝶板轴孔与阀轴之间可能存在一定的间隙，当反向承压时蝶板将可能产生移动以补偿间隙，该移动将导致密封圈与阀座密封面产生一定的脱离，从而无法保证阀门反向密封。浮动阀座双向金属密封蝶阀在反向受压的情况下，浮动阀座在弹簧力及介质力的作用下反向游动，从而补偿蝶板变形及移动所产生的偏移，且介质力越大，阀座密封面与密封圈密封面贴合的越紧，充分发挥“楔块效应”，保证反向密封性能。

图3 浮动阀座双向金属密封结构

3 设计计算

3.1 密封比压

蝶阀在介质正向流动实现密封功能时，阀杆扭矩在蝶板密封面施加的必须密封力为Q_MF，同时由于存在介质力Q_MJ，使得蝶板密封面的实际密封压力增加至Q_MZZ，即

    （1）

其中密封面必须密封力Q_MF为

    （2）

其中介质力Q_MJ为

    （3）

蝶板密封面处的实际计算比压q为

    （4）

将计算所得实际比压q与密封面必须比压q_MF及密封面许用比压［q］作比较，三者之间符合式（5）关系，为合理设计。

q_MF≤q≤［q］    （5）

3.2 弹簧

介质反向流动时，产生反向的介质力Q_MJ，此时蝶板密封面的实际密封压力Q_MZF为

Q_MZF=Q_MF－Q_MJ   （6）

为了确保高压反向介质流动时，阀门具有足够的反向密封比压，经过研究分析，设计了弹簧式浮动阀座密封结构（图3）。该结构在阀门反向受压时可通过弹簧力补偿反向介质压力所产生的反向密封比压。

    （7）

    （8）

3.3 阀杆力矩

蝶阀阀杆所需力矩M_D为

    （9）

    （10）

    （11）

    （12）

    （13）

    （14）

    （15）

    （16）

3.4 阀杆强度校核

根据式（9）计算得出的力矩值，选择扭矩合理的阀门驱动装置，扭矩为MQD。阀轴在阀门启闭瞬间承受的剪切应力值最大，为了确保阀门的安全性和稳定性，对阀轴的直径进行验算。

    （17）

    （18）

对于蝶板与阀杆采用锥销连接的部分也可用式（17）进行强度校核，该处的抗扭截面系数为

    （19）

即

    （20）

阀杆与驱动装置主要通过平键连接，针对阀杆头部的强度校核可用式（17）进行，该处的抗扭截面系数为

    （21）

即

    （22）

4 加工装配

阀门密封面堆焊硬质合金，增强密封面的耐冲刷性及耐腐蚀性，保证阀门寿命。阀座密封面加工时先将阀座与阀体紧密连接后，再进行加工，保证阀门的密封性能。装配时，通过阀座和阀体之间的连接螺钉保证阀座的初始位置为最佳密封位置，同时保证阀座的可移动量，使阀门的正反向密封性能同时得到保障。

5 结语

浮动阀座双向金属密封蝶阀实现了较高压力下双向密封的功能，在实际工况运用中使用情况良好，有效改善了三偏心蝶阀反向密封性能，结构简单合理，在有双向密封要求的工况中发挥重要作用。