蝶閥設(shè)計(jì)與選用
1 概述
蝶閥是給水排水管路系統(tǒng)中的一個(gè)重要裝置隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)蝶閥的結(jié)構(gòu)及性能提出了不同的要求。因此，在設(shè)計(jì)及選用時(shí)應(yīng)根據(jù)工況條件，對(duì)其類型、材料和連接形式等做出合理的選擇。
2 設(shè)計(jì)
2.1 結(jié)構(gòu)
蝶閥的關(guān)閉件（蝶板）在介質(zhì)中間，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其對(duì)流阻的影響。
- 關(guān)于大口徑蝶閥蝶板的結(jié)構(gòu)，AWWA C504（美國(guó)給水工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定，蝶板不應(yīng)有橫向筋，其厚度不得大于閥桿直徑的 2.25 倍。
- 蝶板的迎水面和出水面應(yīng)呈流線型。
- 內(nèi)部螺釘不能凸出在蝶板外面，以免增加迎水面積。
國(guó)外某公司生產(chǎn)的蝶閥為了減小流阻將蝶板做成鐵餅形，也有公司將小型蝶閥蝶板做得很薄，而水電管網(wǎng)上用的蝶閥在全開(kāi)位置時(shí)蝶板有導(dǎo)流件，都是為了減小流阻。我國(guó) JB/T 53171-1999 標(biāo)準(zhǔn)也將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO/TC 153/SC1GT8-37的流阻和流量系數(shù)（見(jiàn)《表 1》）列入其中，這說(shuō)明流阻是一個(gè)重要指標(biāo)。
《表 1》蝶閥的 C (Kv)、K (ξ) 值|
公稱通徑 DN mm |
公稱壓力 PN/MPa | |||
|---|---|---|---|---|
| 小于 16 | 20.25 | |||
| C (Kv) | K (ξ) | C (Kv) | K (ξ) | |
| 40 | 50 | 64 | 40 | 2.56 |
| 50 | 80 | 1.33 | 45 | 2.37 |
| 65 | 150 | 1.27 | 120 | 1.98 |
| 80 | 250 | 1.05 | 200 | 1.64 |
| 100 | 400 | 1.00 | 300 | 1.78 |
| 125 | 650 | 0.92 | 450 | 1.93 |
| 150 | 1000 | 0.81 | 800 | 1.26 |
| 200 | 1900 | 0.71 | 1500 | 1.14 |
| 250 | 3100 | 0365 | 2500 | 1.00 |
| 300 | 4700 | 0.59 | 3600 | 1.00 |
| 350 | 6700 | 0.53 | 5400 | 0.82 |
| 400 | 9000 | 0.51 | 7000 | 0.84 |
| 450 | 11500 | 0.50 | 9500 | 0.73 |
| 500 | 14000 | 0.50 | 12000 | 0.69 |
| 600 | 21000 | 0.47 | 18000 | 0.64 |
| 700 | 30000 | 0.43 | 25000 | 0.61 |
| 800 | 41000 | 0.39 | 35000 | 0.53 |
| 900 | 53000 | 0.37 | 46000 | 0.50 |
| 1000 | 67000 | 0.35 | 58000 | 0.48 |
| 1200 | 100000 | 0.35 | 87000 | 0.44 |
2.2 橡膠密封圈
有時(shí)橡膠蝶閥使用壽命較短，這與橡膠質(zhì)量及密封面寬度有關(guān)。橡膠密封蝶閥的密封圈應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的橡膠材料制造，在壓制成型時(shí)應(yīng)遵守工藝規(guī)程，不能任意提高硫化溫度，縮短時(shí)間，否則容易造成密封圈老化和開(kāi)裂。與橡膠密封圈配合的金屬密封面應(yīng)有足夠的寬度，否則橡膠密封圈不易嵌入。另外，閥體及蝶板的形位公差、對(duì)稱度、精度、光潔度、密封圈的壓彈量等也影響橡膠密封圈的使用壽命。
2.3 剛度
剛度是蝶閥設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題，它與蝶板、閥軸及連接等因素有關(guān)。
（1）閥軸尺寸 AWWA C504 中規(guī)定了閥軸尺寸。閥軸尺寸達(dá)不到要求，可能出現(xiàn)剛度不夠，反向密封泄漏，開(kāi)啟力矩大等現(xiàn)象。軸的剛度與 1/EI 有關(guān)，也就是說(shuō)要提高剛度減小變形問(wèn)題應(yīng)該從提高 EI 著手。E 是彈性模量，一般鋼材差別不大，選用好的材料對(duì)剛度影響不大。I 是慣性矩，與軸的截面尺寸有關(guān)。閥軸的尺寸一般按彎扭合成計(jì)算，它不僅與扭矩有關(guān)，而且主要與彎矩有關(guān)，尤其大口徑蝶閥彎矩比扭矩大得多。
（2）軸孔配合 AWWA C504的舊版本中規(guī)定，蝶閥軸是一根直通的整軸。1980 版本以后，提出可以做成兩段短軸。AWWA C504及 GB12238 規(guī)定，軸與孔的嵌入長(zhǎng)度應(yīng)為 1.5d。日本蝶閥軸向尺寸中閥體內(nèi)邊緣與蝶板支承端之間的間隙（C 值）給出規(guī)定，一般與口徑大小有關(guān)，在 25~45mm 之間，也就是盡量減小軸支承間的距離（C 值），從而減小軸的彎矩和變形。
（3）蝶板結(jié)構(gòu) 蝶板結(jié)構(gòu)形式與剛度有直接關(guān)系，因此除平板形外多做成鍋形或桁架形。總之是為了增大斷面的慣性矩，以提高剛度。
（4）閥體結(jié)構(gòu) 大口徑蝶閥閥體設(shè)計(jì)中也存在剛度問(wèn)題。一般有圈筋和橫筋，實(shí)際上橫筋只是增加穩(wěn)定性，不宜太多，主要是圈筋。如果能加∩形筋則對(duì)剛度更有利，但存在工藝性差的問(wèn)題。
2.4 自潤(rùn)滑軸承
蝶板上所受介質(zhì)壓力大部或全部（反向）是通過(guò)軸傳遞到軸承上去的，因此軸承起到非常重要的作用。國(guó)外蝶閥有的轉(zhuǎn)動(dòng)很輕巧，小口徑閥門一個(gè)手指都能轉(zhuǎn)動(dòng)，而國(guó)產(chǎn)蝶閥有的轉(zhuǎn)動(dòng)卻很沉重，這除了與同軸度、對(duì)稱度、加工精度、光潔度和填料的質(zhì)量有關(guān)之外，很重要的一個(gè)因素就是軸套材料的潤(rùn)滑性。AWWA C504 標(biāo)準(zhǔn)提出，閥體中安裝的軸套或軸承應(yīng)屬于自潤(rùn)滑材料，軸套存在減磨潤(rùn)滑問(wèn)題，不允許銹蝕。沒(méi)有軸套，即使閥軸是不銹鋼，閥體也有銹蝕及膠合粘著問(wèn)題。采用軸套還可以增加剛性。
2.5 軸與蝶板的連接
小口徑蝶閥的軸與蝶板采用鍵或花鍵連接為宜，也可以采用多邊形軸連接或銷釘連接，大口徑蝶閥的軸與蝶板多采用鍵或錐銷等連接。目前軸與蝶板采用銷連接的比較多。在惡劣的工況條件下連接銷有損壞現(xiàn)象，這主要是由于制造的原因，其中吻合精度不好，銷子尺寸選擇不合適，銷子硬度不夠或采用材料不合適等應(yīng)引起注意。大型蝶閥的軸與蝶板可采用特殊的方法進(jìn)行連接。
2.6 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度
蝶閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度向短系列發(fā)展，但這樣的做法要慎重。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)度太短對(duì)強(qiáng)度有影響。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)法蘭蝶閥短系列結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度做出了規(guī)定，但是壓力較高的閥門結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度不宜改短，否則會(huì)出問(wèn)題，尤其是鑄鐵等脆性材料。
3 選用
3.1 類型
蝶閥有單偏心、斜板式、中線型、雙偏心和三偏心等不同結(jié)構(gòu)。介質(zhì)壓力通過(guò)蝶板作用在閥軸及軸承上，因此在高壓小口徑流阻很大時(shí)，其軸徑和蝶板厚度都相應(yīng)增加，如果采用閘閥和球閥或截止閥，從密封及流阻等方面分析比采用蝶閥合適。
近幾年來(lái)，在水系統(tǒng)中軟密封閘閥的出現(xiàn)改善了閘閥容易沉淀泥沙的缺點(diǎn)，其流阻比較小，可以在線維修，用于中小口徑非常合適，因此逐漸得到了應(yīng)用。
3.2 密封副
金屬密封蝶閥的主要優(yōu)點(diǎn)是密封可靠、壽命長(zhǎng)、耐高溫，不易損壞和撕裂，承壓能力高。因此近些年來(lái)應(yīng)用較多，尤其用于工程系統(tǒng)的關(guān)鍵部位。橡膠軟密封蝶閥如果設(shè)計(jì)制造優(yōu)良可以得到很好的密封，而且大口徑容易做到在線換圈。但是橡膠存在老化問(wèn)題，只能用于溫度不高的工況條件下，因此廣泛應(yīng)用在自來(lái)水及供水系統(tǒng)。
國(guó)外金屬密封蝶閥也用于火電廠的泵站、凝汽器、抽汽系統(tǒng)及換熱系統(tǒng)，核電站還用于壓力殼隔離、噴淋系統(tǒng)及鹽水等，石油精練系統(tǒng)中的儲(chǔ)油隔離、蒸汽供給閥、脫硫系統(tǒng)和尾氣處理、熱裂解及催化單元中。還有石油化工廠、深冷、漿液和造紙等系統(tǒng)。
對(duì)于中溫中壓工況選用金屬密封蝶閥較好。對(duì)于要求閥門可靠性高，壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期不宜更換的地方，也應(yīng)該選用金屬密封蝶閥。
對(duì)用于常溫水的閥門，如果不是要求很高，長(zhǎng)期不更換或更換不方便的地方，則宜采用軟密封結(jié)構(gòu)的蝶閥。如果橡膠質(zhì)量能夠保證，水用大口徑蝶閥仍應(yīng)以橡膠閥座蝶閥為主。
4 結(jié)語(yǔ)
新工藝及新材料的不斷出現(xiàn)，將提高蝶閥的結(jié)構(gòu)性能，擴(kuò)大蝶閥的使用范圍，并對(duì)蝶閥的設(shè)計(jì)和選用提出更新的要求。
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