通過雙偏心蝶板設(shè)計(jì)、超低溫工況下新型硬密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及主要零件材料選擇的研究，研制了DN300-PN10超低溫雙偏心蝶閥。搭建了超低溫蝶閥試驗(yàn)臺(tái)架，驗(yàn)證了研制的超低溫蝶閥在常溫或超低溫工況下具有良好的密封性能，達(dá)到了ANSI/FCI70-2中Ⅵ級(jí)以及JB/T7749中低溫蝶閥密封性能的要求。

1、概述

　　超低溫蝶閥主要應(yīng)用于液化天然氣和液氮等管路系統(tǒng)，控制管路啟閉或調(diào)節(jié)設(shè)備。針對(duì)國內(nèi)市場對(duì)超低溫閥門的需求及其產(chǎn)品基本上依賴于進(jìn)口的狀況，研制了一種新型超低溫蝶閥。產(chǎn)品采用了雙偏心結(jié)構(gòu)和彈性金屬密封結(jié)構(gòu)，雙偏心結(jié)構(gòu)可大幅度消除蝶閥啟閉過程中蝶板與密封圈不必要的過度擠壓和刮擦等現(xiàn)象，彈性金屬密封結(jié)構(gòu)可有效地補(bǔ)償溫度變化帶來的變形影響，兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可有效地提高超低溫工況下蝶閥的密封性能。

2、設(shè)計(jì)

　　(1)蝶板

　　蝶板為部分球體結(jié)構(gòu)型式的雙偏心蝶板，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，點(diǎn)O為通過蝶板球心平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的直線與該直線垂直剖切面上的交點(diǎn)，點(diǎn)O'為雙偏心蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)軸在剖切面上的交點(diǎn)，A、B、C及D為蝶板在剖切面上的邊緣點(diǎn)，e、c分別為點(diǎn)O'與點(diǎn)O的徑向、軸向偏心距，R為剖切面上蝶板所在圓半徑，t、s分別為邊AD與點(diǎn)O、邊BC的距離，α、β及λ為相應(yīng)夾角。蝶板按旋轉(zhuǎn)軸的垂直面作切面主要有圖1(b)、圖1(c)兩種情況，圖1(b)為蝶板中間段密封情況，圖1(c)為蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)軸上下兩端附近的密封情況。

　　根據(jù)雙偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其雙偏心作用，圖1中A、B、C及D邊緣點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑R1、R2、R3及R4必須滿足R1>R2，R3>R4相對(duì)關(guān)系的同時(shí)成立。

　　根據(jù)幾何作圖可以確定雙偏心蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)軸上點(diǎn)O'的適合區(qū)域，如圖1(a)所示。在確定雙偏心蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)軸適合區(qū)域的基礎(chǔ)上，對(duì)蝶板邊緣點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑R1、R2、R3及R4進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算，當(dāng)為圖1(b)情況時(shí)，有

　　通過雙偏心蝶板幾何關(guān)系的分析，在確定雙偏心蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)軸適合區(qū)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合密封結(jié)構(gòu)中所需的密封件壓縮量以及綜合考慮雙偏心蝶板產(chǎn)生的附加靜水力矩等因素，利用式(1)～(5)進(jìn)行蝶板密封面邊緣極限位置差值R1-R2，R3-R4等數(shù)值計(jì)算，可確定合適的雙偏心蝶板結(jié)構(gòu)尺寸。

　　(2)密封結(jié)構(gòu)

　　在超低溫工況下，軟密封材料會(huì)發(fā)生冷脆等不良現(xiàn)象，使密封結(jié)構(gòu)失效。超低溫蝶閥采用彈性金屬密封結(jié)構(gòu)(圖2)，通過調(diào)節(jié)螺栓控制壓環(huán)位置調(diào)整彈性金屬密封圈的壓縮量以滿足密封要求。其中彈性金屬密封圈為關(guān)鍵零件，它由外層、內(nèi)層以及內(nèi)部彈簧組成(圖3)，外層的主要材料為銅，具有良好的硬密封性能，內(nèi)層主要材料為適合超低溫應(yīng)用環(huán)境的不銹鋼，保證密封件具有一定的剛度。內(nèi)部彈簧使密封件具有一定的彈性，可以很好地減小溫度變化帶來的材料熱脹冷縮對(duì)密封性能產(chǎn)生的影響。

1.蝶板 2.閥體 3.擋圈 4.調(diào)節(jié)螺栓 5.定位板 6.壓環(huán) 7.彈性金屬密封圈

圖2 彈性金屬密封結(jié)構(gòu)

1.外層 2.內(nèi)層 3.彈簧

圖3 彈性金屬密封圈結(jié)構(gòu)

　　(3)材料選擇

　　在低溫條件下，金屬材料的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性降低，呈現(xiàn)出不同程度的低溫冷脆現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到蝶閥的性能和安全。為了防止材料在低溫下的脆斷，閥體和蝶板等承壓零部件采用奧氏體不銹鋼(如304L、316、316L等，其中316L的穩(wěn)定性最好，沒有明顯的低溫冷脆臨界溫度，在低溫條件下，仍能保持較高的韌性，因此閥體和蝶板等承壓部件選用316L材料。

3、試驗(yàn)

　　參照BS6364、JB/T7749等相關(guān)低溫閥門試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，搭建了超低溫蝶閥試驗(yàn)裝置(圖4)，通過減壓閥和截止閥等組合操作對(duì)蝶閥的密封性能進(jìn)行測試。在試驗(yàn)過程中，通過熱電偶監(jiān)測閥體、閥蓋及蝶板等部位的溫度，達(dá)到試驗(yàn)溫度要求后，用低溫測試介質(zhì)氦氣進(jìn)行蝶閥的密封性能試驗(yàn)。

1.氦氣瓶 2.截止閥 3.減壓閥 4.壓力表 5.被測閥 6.酒精瓶 7.流量計(jì)

圖4 蝶閥低溫試驗(yàn)裝置原理

　　在雙偏心蝶板、密封結(jié)構(gòu)以及閥門主要零件選用材料等方面研究成果的基礎(chǔ)上，研制了DN300-PN10超低溫雙偏心蝶閥，并在試驗(yàn)裝置上用氦氣對(duì)該閥分別進(jìn)行常溫與液氮工況下的密封性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明DN300-PN10超低溫雙偏心蝶閥常溫下的泄漏量小于16ml/min。在液氮超低溫工況下，該閥泄漏量小于100ml/min。

4、結(jié)語

　　通過雙偏心蝶板幾何關(guān)系研究，提出的數(shù)值計(jì)算公式，結(jié)合密封結(jié)構(gòu)中所需的密封件壓縮量以及綜合考慮雙偏心蝶板產(chǎn)生的附加靜水力矩等方面因素，可以較好的確定雙偏心蝶板的結(jié)構(gòu)尺寸。提出的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)可以較好地減少溫度變化帶來的材料熱脹冷縮對(duì)密封性能產(chǎn)生的影響。選用的316L材料作為閥體、蝶板等零件材料應(yīng)用于超低溫工況是適宜的。研制的DN300-PN10超低溫雙偏心蝶閥的密封性能達(dá)到了ANSI/FCI70-2中Ⅵ級(jí)以及JB/T7749中低溫蝶閥對(duì)密封性能的要求。