新型金屬平面密封蝶閥的簡介

當前，國內外生產的蝶閥大多數為橡膠密封和塑料密封，容易磨損和老化，達不到設備連續運行周期。以空分為例，當今以深冷分離原理為主的空分設備，其流程都採用分子篩預凈化流程，工作壓力為0.5～0.9MPa，介質溫度的變化範圍在10～200℃，其切換閥使用溫差大，口徑大，切換頻繁，閥門橡膠密封圈容易磨損和老化，而且更換也比較困難。

2、金屬平面密封氣動蝶閥的特點

(1)採用槓桿式啟閉結構，使密封副間相對滑動很小，減小相對磨損。

(2)執行機構採用連桿增力機構。這種機構在蝶閥處於關閉狀態時，驅動裝置能輸出最大扭矩，且具有自鎖性能，工作安全可靠。

(3)採用金屬平面密封結構，具有很強的耐腐蝕性和耐磨性，適用於高溫環境，使用壽命長。

(4)關鍵部件進行了優化設計，使總的閥門啟閉次數可以達到1×106次以上。

(5)該閥的控制系統採用非接觸式電磁舌簧開關，不受環境條件限制，而且信號靈敏，準確性高，可以實現遠程遙控，氣動控制和自動控制，與設備配套時也可以實現無人操作。

3、結構及工作原理

3.1　槓桿式啟閉結構

槓桿式啟閉結構如圖1所示。當蝶閥關閉時，主軸與槓桿用錐銷緊固，繞O點按逆時針旋轉，槓桿用帶孔銷帶動蝶板AB，由壓縮彈簧推動蝶板固定在槓桿的支點N上，隨主軸槓桿的轉動而轉動。當蝶板上端B與閥體密封面全部接觸而達到密封。開啟過程正好相反。在啟閉過程中，密封副間相對滑動很小，減小相對磨損。在關閉狀態為軸向壓力密封，改變傳統的外力擠壓密封。

3.2　連桿增力式執行機構

連桿增力式執行機構如圖2所示，活塞在氣源壓力的作用下向右移動，活塞桿帶動力臂於箱體內滑動，連桿牽動搖桿順時針轉動，輸出扭矩。而連桿與搖桿長度(h)相同，均等於箱體槽心至輸出中心的距離。箱體槽壁承受側向推力F，分力P牽動搖桿轉動，根據力的分析可知：

P=Q/cosα
α=sin-1(1-sinβ)

M扭=Phcos(90-α-β)=Qhsin(α+β)/cos(α+β)

由上式可知，β角減小，α角增大，M扭值隨之增加。當β=0°、α=90°時(蝶閥處於關閉狀態)，驅動裝置輸出最大扭矩，而在啟閉過程中的扭矩較小。此特性在曲線上恰好包容了蝶閥操作扭矩曲線，滿足蝶閥在關閉或開啟狀態時所需的密封力矩。

3.3、平面密封結構

過去的氣動蝶閥密封副一般採用球面密封，密封壓力是徑向擠壓作用力，其密封過盈量不能任意調整，密封性能取決於密封材料的過盈量，因此，設計中選擇密封材料及其過盈量就顯得十分重要。在工作中，特別是在分子篩預凈化流程中，切換閥工作在10～200℃範圍內，採用橡膠密封圈時，橡膠的線性膨脹係數很大，受溫度變化影響大，過盈量很難準確確定。如果過盈量大，不但增大摩擦力，而且時常出現「啃邊」和「翻舌」現象，使密封失效，過盈量小則出現泄漏。即使過盈量選擇合理，而這種閥門切換頻繁，經過一段時間運行后還會因磨損而失效。假如採用非橡膠密封材料，據目前資料所知，它們的彈性變形很小，徑向密封過盈很難控制，製造相當複雜，成本很高。同時對橡膠密封材料來說，溫度的不斷變化，使橡膠密封圈因溫度疲勞破壞而造成過早老化，對於大型空分設備配備的大口徑氣動蝶閥，更換密封圈就十分困難。

新型密封氣動蝶閥則採用金屬平面密封結構，閥瓣作為非易損件採用不鏽鋼堆焊硬質合金，閥座密封環採用銅基合金或不鏽鋼堆焊代鈷合金，它們具有很強的耐腐蝕和耐磨性，使用溫度範圍大，在-40～300℃之間可以長期使用，因此，使用壽命比橡膠密封大得多。

由於閥板的運動機構採用槓桿形式，當閥板關閉后，閥板與閥座成為平面接觸密封，其後槓桿相當於凸輪機構，如果主軸繼續旋轉，那麼閥板向前繼續平移達到力的平衡，有工作介質壓力時，還能實現自密封，保證了密封可靠性。當整個密封面磨損后，還具有自動補償密封磨損量的特性，從而延長了使用壽命。

由於該閥門採用合理的結構，其使用性能比國內其它閥門好，已經能夠取代國外同類產品。

4、試驗結果及應用情況

我公司於1997年4月首先研製成功PN1.0MPa DN300氣動蝶閥，並進行了性能指標試驗和模擬現場工況試驗，結果如下：

4.1、性能指標試驗

氣源壓力：0.4MPa；管道壓力：0.95MPa；介質溫度：常溫；開啟次數：1500次(要求1000次/a)；動作啟閉時間：10s。

4.2、模擬現場工況試驗

氣源壓力：0.4MPa；管道壓力：0.7MPa；介質溫度：150℃；開啟次數：8000次(要求1000次/a)；動作啟閉時間：10s；泄漏量：8000次試運行后，作氣密性試驗其泄漏量為零。

經過試驗后，對各個部件進行檢查，主密封面無磨損痕迹，執行機構的運動部件及閥內運動部件完好無損，且整體動作靈活，運行可靠。目前，這種閥門已經系列化，可以與大中小型空分設備配套使用。

此後，我們又開發出PN1.0MPa　DN400蝶閥，於1997年12月在長治鋼廠六千空分設備上使用，性能良好，深受用戶好評。

為了適應小型高純氮設備流程需要，我們又組織開發了PN1.6MPa　DN150和DN200蝶閥，也被用戶選用。

針對我公司為天津鐵廠提供1.5萬大型空分設備，1997年10月又組織開發了PN1.0MPa　DN500和DN600蝶閥，於1998年6月20日在天鐵1.5萬空分設備上正式使用，至今運行良好，得到用戶的依賴。最近，魯南化工廠1.6萬空分設備所配套DN500　DN600閥門也將開始運行。它的成功應用標誌著高壓力、大口徑的金屬硬密封蝶閥長期依賴進口的歷史已經結束，同時也填補了國內大口徑金屬硬密封蝶閥的應用空白。

通過實際應用，各項設計指標均達到要求，滿足空分設備工藝流程的要求，該產品已經供給用戶使用。目前，我公司這種閥門主要是為空分設備配套，自1997年投產以來，已經生產DN200～DN600不同規格閥門100多台，供應國內市場，另外還出口到印尼20多台也在運行當中。

金屬平面密封氣動蝶閥不僅適用於空分行業，也適用於化工、冶金、污水處理、煤氣、石油及其它天燃氣管道輸送行業。尤其是天燃氣輸送管道所用閥門為大口徑蝶閥，採用這種氣動閥門既能滿足密封性能的要求，又能防火保證輸送的安全性，而且中間維修少，價格低，是最理想的配套產品。由此可見，金屬平面密封氣動蝶閥今後必將取代國內外同類產品，成為市場主導產品，具有廣闊的發展前景。