通過(guò)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(guò)程中蝶板與密封圈不必要的過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(méi)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(guò)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(cè)試。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)熱電偶監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(yǔ)

　　通過(guò)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(lái)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。