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。
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
2.1.1 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2125 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 5317121999 标准也将国际标准ISO/ TC 153/ SC1GT 8237 的流阻和流量系数(表1) 列入其中, 这说明流阻是一个重要指标。
2.1.2 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。
2.1.3 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115 d 。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25～45 mm 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。
2.1.4 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。
2.1.5 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。
2.1.6 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
3.1.1 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, 如果采用闸阀和球阀或截止阀, 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。
3.1.2 密封副
金属密封蝶阀的主要优点是密封可*、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*性高, 寿长, 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