三偏心蝶阀的流量特性和双向密封性能分析

万敬博

北京三聚环保新材料股份有限公司

摘    要：

自70年代国外发明三偏心蝶阀以来, 因其突出的优点和卓越的性能, 在工业生产中得到广泛应用。80年代引入我国后, 无论是应用还是制造水平在国内都发展很快。对于工程设计人员及阀门用户来讲, 充分了解、掌握其性能特点及使用工况, 对工程设计人员准确完成阀门选型、采购并正确指导安装, 对阀门用户正确、高效的使用阀门产品, 都具有很重要的意义。文章对三偏心蝶阀的流量特性和双向密封性能进行了分析, 结果表明:三偏心蝶阀的流量特性近似为等百分比流量特性;阀板行程的中间段具有调节功能, 在此区间外则不具有调节功能。对三偏心蝶阀的双向密封性能进行的分析结论有:在试验压力下的最小试验时长内无泄漏即为零泄漏;双向零泄漏三偏心蝶阀应用的压力管道等级应为GC1, 1和GC1, 2, 且所用于的工况应为双向流管线及阀门两侧均需拆卸检修的管线。

关键词：

三偏心蝶阀; 调节功能; 流量特性; 双向密封; 零泄漏;

蝶阀是近十几年来发展最快的阀门品种之一, 其使用数量、规格和种类仍在继续扩大, 并且向着高压、髙温、大口径、长寿命、更优的调节性能、更高的密封性能以及一个阀门多种功能的方向发展。三偏心蝶阀比中线、单偏心和双偏心蝶阀更耐高温、启闭力矩更小、寿命更长、密封性能更好, 因此越来越受使用者的欢迎。部分文献报道了三偏心蝶阀的有限元受力分析、振动特性、密封结构、密封比压、密封面摩擦力矩、反向承压密封问题、流场和阻力特性等方面的研究, 以及在某些工况上的应用介绍^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]}。然而, 在流量特性和双向密封性能方面, 研究报道尚很少见。本文从阀门特点和工程设计的角度, 较系统地研究了三偏心蝶阀的流量特性和双向密封性能, 以期为阀门用户在三偏心蝶阀的操作使用和工程设计人员在三偏心蝶阀的选用方面提供指导。

1 三偏心蝶阀的流量特性

1.1 阀门的流量特性简介

图1.1-1理想流量特性曲线^[15   下载原图

不同的阀门因其构造差异较大, 致使其流量特性各有特点。当不考虑自身及管线影响, 阀门在恒定压力降下操作时, 流量特性被认为是理想流量特性。但是如果考虑阀门和管线二者的影响, 理想流量特性曲线将变为工作流量特性。工作流量特性必须通过对管线系统的整体考虑才能确定。常用的流量特性为等百分比式、直线式和快开式^[13]。三种流量特性的理想曲线见图1.1-1。

1.1.1 等百分比流量特性

等百分比流量特性是调节阀常用的流量调节方式, 流量曲线如图1.1-1所示, 其数学表达式为^[13]:

式 (1) 和图1.1-1显示阀门开启过程中的流量与阀门开度成指数关系, 启闭件行程的前半段 (0至50%左右) 曲线斜率变化很小, 与直线近似, 说明前半段具有很好的调节性能。而行程的后半段 (60%左右至100%) , 曲线斜率增加较快, 较小的行程会导致较大的流量变化, 不利于对流量的精确控制。在实际工艺管路中, 由于阀门自身构造特点和前后管路的影响, 理想的等百分比流量特性发生变化, 转变为工作等百分比流量特性。图1.1-2为理想流量特性与工作流量特性的对比图, 如图所示, 工作等百分比式曲线的前半部分 (行程的0至50%左右) 也表现出较好的调节性能。

图1.1-2理想与工作流量特性曲线比较图^[14]   下载原图

1.1.2 直线流量特性

理想直线流量特性是指无论阀门启闭件的位置如何, 在阀门单位行程变化下产生相同的流量变化, 如图1.1-1所示。直线流量特性主要应用于管路系统中主要压力降是由阀门产生的工况。此类阀门可在启闭件全部行程上提供较佳的流量控制。直线流量特性的数学表达式为^[13]:

式 (2) 和图1.1-1显示阀门开启过程中的流量与阀门开度成线性关系, 只要知道直线的斜率, 即可求解出任一行程下所对应的流量值, 从而实现精准的流量调节, 且行程全程有效可调。同样, 理想直线流量特性曲线也会受阀门自身及前后管路的影响, 其工作直线流量特性曲线见图1.1-2。如图1.1-2所示, 两条曲线发生偏离, 斜率k由固定值变为变化值, 但总体上曲线的斜率变化较平稳, 所以工作直线流量特性曲线还是反映出此类阀门较好的调节性能。

1.1.3 快开流量特性

快开流量特性几乎仅用于开—关工况, 如图1.1-1。阀门启闭件的行程很小时, 流量即接近最大值, 之后剩余行程对流量影响不大, 从而起到快开的作用。由于快开特性的极端特征, 其理想和工作特性是相似的, 如图1.1-2所示, 快开流量特性曲线的理想状态和工作状态是同一条曲线。

1.2 三偏心蝶阀的流量特性

图1.2-1美国艾默生流体控制Virgo三偏心蝶阀流量特性^[16]   下载原图

图1.2-2加拿大威兰阀门Torqseal三偏心蝶阀流量特性^[17]   下载原图

图1.2-3意大利Vanessa阀门30000系列三偏心蝶阀流量特性^[18]   下载原图

1.1节中阐述的阀门流量特性对于三偏心蝶阀同样适用。图1.2-1、1.2-2和1.2-3为三个知名阀门厂家产品样本中展示的三偏心蝶阀工作流量特性曲线, 横坐标为阀门相对开度或阀门启闭件相对行程, 纵坐标为相对流量系数C_v。三条曲线显示三偏心蝶阀的工作流量特性近似为等百分比流量特性。三条曲线的开始阶段, 即阀门相对开度由0变化至10%, 相对C_v变化很小并不明显, 可能是由于阀板厚度的影响, 使行程开始阶段流体流经阀板处不够顺畅, 所以此阶段三偏心蝶阀无调节能力。曲线中段, 即阀门相对开度为10%至90%的阶段, 相对C_v随相对开度的增加而增大, 由于三条曲线的斜率变化较缓慢, 所以相对C_v的变化同样较缓慢, 此阶段三偏心蝶阀对流量的控制较佳, 具有良好的调节能力。曲线末段, 即阀门相对开度为90%至100%的阶段, 此时阀门将近全开, 相对C_v随相对开度的增加变化已不明显, C_v值已接近阀门的最大C_v值, 所以此阶段三偏心蝶阀也不具备调节能力。

虽然, 以上只是以3个厂家的产品为例, 不同厂家产品的特点可能千差万别, 但总体来讲, 三偏心蝶阀的调节功能主要体现在阀板行程的中间段。

2 三偏心蝶阀的双向密封性能

在某些特殊或苛刻工况条件下还要求三偏心蝶阀具有良好的密封性能, 此时双向密封, 甚至双向零泄漏对三偏心蝶阀提出了更高要求。

2.1 三偏心蝶阀的密封副结构介绍

阀门的密封副是指密封圈与阀座构成的密封组合。三偏心蝶阀通常被用于温度较高的工况, 常用的密封副材料为金属及金属与石墨制成的复合材料。三偏心蝶阀的密封副结构分为两种形式, 一种是密封圈被固定在阀板上, 阀座被固定在阀体上, 如图2.1-1所示, 阀门组成件3a为密封圈, 1a为阀体, 1b为阀座。密封圈3a的材料为由层片状金属和石墨构成的复合材料, 或纯金属。阀座1b的材料可以和阀体的材料相同, 也可以在阀体材料上面堆焊其它金属, 如钴基硬质合金, 以增加阀座的使用寿命。当密封圈3a的材料为层片状金属和石墨复合材料时, 其使用温度可达450℃ (流体为非氧化性流体) , 如果为纯金属, 则使用温度更高。另一种是密封圈被固定在阀体上, 阀板充当阀座, 如图2.1-2所示, 此种情况通常密封圈都是层片状金属和石墨复合材料, 而阀板为纯金属, 阀板密封面处也可堆焊其它金属。此种阀门的使用温度可达450℃ (流体为非氧化性流体) 。

图2.1-1三偏心蝶阀密封副结构1^[18], 左图3a为层片状金属和石墨复合材料, 右图3a为纯金属   下载原图

图2.1-2三偏心蝶阀密封副结构2^[19]   下载原图

2.2 双向零泄漏定义

工程应用中有些阀门是有流向安装要求的, 这种阀门的阀体上都会标有流向箭头“→”。蝶阀也是具有流向安装要求的, 一般流体是由阀杆一侧流向阀板一侧称为正向, 反之则称为反向。蝶阀流向安装正确时, 阀板关闭, 流体压力作用在阀杆一侧, 对密封副的密封起促进作用。蝶阀流向安装错误时, 阀板关闭, 流体压力作用在阀板一侧, 对密封副的密封起减弱作用, 见图2.2-1。

阀板关闭后密封性能的好坏由密封副闭合处的泄漏率来衡量, 该位置的泄漏被称之为阀门的内漏。对于内漏, 相关标准规范对其是有要求的, 下面选取几个常用的、比较权威的标准规范进行介绍。图2.2-2为API598中表6-阀门内漏最大允许泄漏率。该表适用于多种类型的阀门, 包括三偏心蝶阀, 不同口径、不同密封副材质的阀门其泄漏率的要求是不同的。从表中可以看出, 第3列为具有软密封密封副 (通常含非金属材料) 的阀门的泄漏率要求, 对所有口径阀门的要求都是“0”, 即如果密封试验介质是液体, “0”代表在最小试验时长 (时长值标准内有定义, 此处不详述) 内无可见液滴;如果密封试验介质是气体, “0”代表在最小试验时长内出现的气泡少于1个。该表第4至8列为密封副为金属材料时对内漏的泄漏率要求, 可见随阀门口径的增大, 最大允许泄漏率也是不断增大的, 只有极个别情况要求是“0”。所以, API598对具有软密封密封副的阀门的泄漏率要求是最严格的, 即为零泄漏, 因为通常软密封材质的密封副更具弹性, 更容易实现紧密密封。

图2.2-1三偏心蝶阀流向正反向示意图 (阀板的关闭方向为顺时针转动)   下载原图

图2.2-3为ISO5208中表4-阀门内漏最大允许泄漏率。该标准将内漏泄漏率分为10个等级, Rate A至Rate G从高至低, 表中“NOTE 4”已明确说明该表中部分泄漏率的值与API598是很接近的, 如不针对金属密封止回阀时DN≤50的Rate A的值、Rate AA-Gas和Rate CC-Liquid的值等, 且ISO5208中Rate A的泄漏率要求与API598中泄漏率“0”的释义是相同的。由此可见, ISO5208中定义的零泄漏与API598中的定义相同。

图2.2-3《ISO5208工业阀门—金属阀门压力试验》内漏最大允许泄漏率一览表

图2.2-4为BS EN 12266-1中表A.5-阀门内漏最大允许泄漏率。该标准将内漏泄漏率分为7个等级, Rate A至Rate G从高至低, 同样, 图2.2-3表4中“NOTE 4”已明确说明表4中Rates A, B, C, D, E, F和G的泄漏率的值就是BS EN 12266-1中定义的Rates A, B, C, D, E, F和G的泄漏率的值, 所以BS EN 12266-1中定义的泄漏率Rate A即为零泄漏, 且与ISO5208和API598中的零泄漏定义相同。

图2.2-4《BS EN 12266-1工业阀门—金属阀门试验, 第一部分关于压力试验、试验步骤及合格标准的强制要求》内漏最大允许泄漏率一览表

图2.2-2《API598阀门检验与试验》内漏最大允许泄漏率一览表   下载原图

国标《GB/T13927工业阀门—压力试验》和《GB/T26480阀门的检验和试验》是国内常用的阀门检验和试验标准, GB/T13927修改采用了ISO5208的内容, 而GB/T26480则修改采用了API598的内容, 即这两个国标基本分别与ISO5208和API598等同, 所以两国标中定义的零泄漏与ISO5208、API598及BS EN 12266-1中定义的零泄漏是等效的。

至此, 可以给出零泄漏的定义, 在试验压力下的最小试验时长 (试验压力值、时长值API598中有定义, 此处不详述) 内无泄漏即为零泄漏, 具体为:如果密封试验介质是液体, 在最小试验时长内无可见液滴;如果密封试验介质是气体, 在最小试验时长内出现的气泡少于1个。那么, 参考前文介绍的三偏心蝶阀有正反两个流向可知, 通过在38℃下110%阀门设计压力的高压密封副密封试验, 或4到7bar的低压密封副密封试验, 三偏心蝶阀正反两个流向上密封副都实现了零泄漏即可称之为双向零泄漏。如前文所述, 若流体反向流过蝶阀时, 流体压力对密封副的密封起减弱作用, 因此, 蝶阀达到反向零泄漏比达到正向零泄漏要难得多, 这在很大程度上考验了阀门制造厂的制造加工水平。

目前国内外市场上能够实现双向零泄漏的三偏心蝶阀屈指可数, 以意大利Vanessa阀门工厂生产的30000系列三偏心蝶阀代表着三偏心蝶阀领域的最高水平。有些阀门厂家也称自己生产的三偏心蝶阀能够实现双向零泄漏, 实际上反向的零泄漏是有条件的, 即反向流体压力不能超过某一限定值, 在限定值内反向可实现零泄漏, 超过该限定值反向就会发生泄露。不同的厂家由于制造水平有差距, 所能实现零泄漏的反向流体压力限定值有高有低, 实力较强的厂家其限定值相对较高一点, 而实力较弱的厂家其限定值也就相对较低一点, 但无论高低, 都达不到110%阀门设计压力或4到7bar。

2.3 双向零泄漏三偏心蝶阀的选用原则

能够达到双向零泄漏要求的三偏心蝶阀固然性能卓越, 但因其价格较高, 不宜盲目、大规模使用, 否则必然会导致项目投资大幅增加。由于在实际工程设计中项目情况有时很复杂, 阀门的选型需要考虑多种因素, 如工艺要求、使用工况、采购成本、到货周期及维修成本等, 很难一一进行细致分析, 所以本节只从压力管道等级和使用工况两个方面来给出一个基本的选用原则建议, 且只限于工业领域。

根据国标GB/T20801中对工业压力管道的分类, 压力管道分为GC1、GC2和GC3三个等级。GC1级为最高等级并分为三类, 有毒类 (GC1, 1) 、易燃易爆类 (GC1, 2) 和高温高压类 (GC1, 3) 。如果三偏心蝶阀需满足零泄漏的要求, 其所服务的流体介质应为有毒和可燃易爆的, 即压力管道等级应为GC1, 1和GC1, 2, 而其它等级的压力管道如果发生泄漏不会产生致命危险, 没必要选用此类高性能阀门。此外, 在满足上面压力管道等级的要求的基础上, 双向零泄漏三偏心蝶阀的使用工况应为在阀门的正反两个流向上都需要密封的情况才宜选用, 主要为双向流管线及阀门两侧均需拆卸检修的管线。

3 结论

综合以上分析, 对于三偏心蝶阀所得结论及建议如下:

(1) 工作流量特性近似为等百分比流量特性, 具有一定的调节功能。

(2) 调节区间为阀板行程的中间段, 其它行程区间无调节功能。所以对有调节要求的三偏心蝶阀, 在工程设计阶段对三偏心蝶阀进行选型时, 建议选用阀门手柄或手轮处带有阀板开度指示装置的型号, 以方便操作阀门时能够准确掌握阀门开度。

(3) 零泄漏的定义为:在试验压力下的最小试验时长内无泄漏即为零泄漏, 具体为:如果密封试验介质是液体, 在最小试验时长内无可见液滴;如果密封试验介质是气体, 在最小试验时长内出现的气泡少于1个。

(4) 双向零泄漏的定义为:通过在38℃下110%阀门设计压力的高压密封副密封试验, 或4到7bar的低压密封副密封试验, 三偏心蝶阀正反两个流向上密封副都实现了零泄漏即可称之为双向零泄漏。

(5) 由于双向零泄漏三偏心蝶阀的价格较高, 建议其所应用的压力管道等级应为GC1, 1和GC1, 2, 且所用于的工况应为双向流管线及阀门两侧均需拆卸检修的管线。

符号说明

e——自然对数底数2.718

k——比例常数

L——阀门启闭件的行程, m

n——常数

Q₀——最小可控制流量, m/s