高性能蝶閥密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
高性能蝶閥（HighPerformanceButterflyValve-HPBFV）是20世紀(jì)60年代中期隨著聚四氟乙烯作為閥座材料在蝶閥中的使用而產(chǎn)生的，并被列入美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（API609雙法蘭式、凸耳式和對(duì)夾式蝶閥）。高性能蝶閥一般為雙偏心、球面密封結(jié)構(gòu)，閥座采用PTFE/RPTFE（聚四氟乙烯/增強(qiáng)聚四氟乙烯）材質(zhì)，較橡膠密封蝶閥具有摩擦系數(shù)小、扭矩小、壽命長(zhǎng)、可在管路終端安裝使用等優(yōu)點(diǎn)，可以用于工作壓力600lb（11MPa），溫度230℃，具有腐蝕性介質(zhì)的管路上，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的雙向密封和切斷介質(zhì)或調(diào)節(jié)流量，用途十分廣泛。
密封圈材質(zhì)
聚四氟乙烯材質(zhì)具有適用溫度范圍廣、耐腐蝕性能優(yōu)異、摩擦系數(shù)小和塑性好等優(yōu)點(diǎn)，是高性能蝶閥密封圈常使用的材質(zhì)。但相對(duì)來(lái)說(shuō)其材質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度低、耐磨性差、剛度差和導(dǎo)熱性差等缺點(diǎn)一般也會(huì)加以考慮，不過(guò)聚四氟乙烯材質(zhì)在載荷作用下的“冷流傾向”往往會(huì)被忽視。高性能蝶閥在現(xiàn)場(chǎng)使用一段時(shí)間后，由于“冷流傾向”從而導(dǎo)致密封圈的永久變形（類似于塑性材料的屈服現(xiàn)象）。為防止這類現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行聚四氟材質(zhì)的壓力-溫度額定值，或采用具有填充材料的聚四氟乙烯材質(zhì)。
高性能蝶閥的密封圈應(yīng)設(shè)計(jì)成使介質(zhì)壓力有利于密封的結(jié)構(gòu)。當(dāng)無(wú)壓力時(shí)，閥桿傳遞過(guò)來(lái)的扭矩使蝶板與密封圈間產(chǎn)生足夠的密封比壓，使閥門(mén)密封。當(dāng)受到管道中正向介質(zhì)壓力（圖1）時(shí)，能借助管路中的介質(zhì)壓力使密封圈緊緊壓在蝶板密封面上，使密封性能更加可靠。當(dāng)介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)，介質(zhì)壓力作用在密封圈的另一側(cè)，密封圈將反向變形，壓向蝶板密封圈形成密封比壓阻止介質(zhì)泄漏。
護(hù)板的緊固
對(duì)于高性能蝶閥，護(hù)板及護(hù)板螺釘應(yīng)設(shè)計(jì)成當(dāng)兩端法蘭被移走時(shí)足以承受最大壓差力額定值。護(hù)板螺釘?shù)妮d荷校核按如下規(guī)定。因密封圈選用聚四氟乙烯材質(zhì)，使用溫度不超過(guò)200℃，對(duì)螺釘?shù)妮d荷只需按常溫工況進(jìn)行校核即可。
常溫時(shí)螺釘?shù)挠?jì)算載荷QLZ取（Qyj+XQg）與（QDF+Qg）兩者中的較大值。
式中
Qyj———無(wú)介質(zhì)時(shí)，緊密連接所需的預(yù)緊力
Qg———螺栓的工作載荷，N
QDF———有介質(zhì)時(shí)，墊片上的密封力，N
X———螺栓的外載荷系數(shù)（X=0.2～0.3）
護(hù)板用螺釘應(yīng)采用應(yīng)變硬化不銹鋼螺釘材料，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如ASTM A193）的規(guī)定使用。另外，護(hù)板緊定螺釘應(yīng)凹進(jìn)或低于護(hù)板表面。
閥門(mén)扭矩
扭矩小是高性能蝶閥的一大特點(diǎn)，高性能蝶閥閥桿扭矩可由近似計(jì)算得出。
式中
MD———蝶閥閥桿扭矩，N•mm
MM———密封面間摩擦力矩，N•mm
qM———密封面必須比壓，MPa
R———蝶板半徑，mm
bM———密封面接觸寬度，mm
fM———密封面間摩擦系數(shù)
h———閥桿與蝶板中心的偏心距，mm
Mc———閥桿軸承摩擦力矩，N•mm
Mc=QcfcdF/2
Qc———作用在閥桿軸承上的載荷，N
fc———軸承摩擦系數(shù)
dF———閥桿直徑，mm
MT———密封填料的摩擦力矩，N•mm
MT=QT•dF/2
QT———閥桿與填料的摩擦力，N
QT= ϕdFbT
ϕ———系數(shù)
bT———填料深度，mm
p——計(jì)算壓力，MPa
受加工工藝及材質(zhì)選用等因素的影響，閥桿實(shí)際扭矩與計(jì)算扭矩口徑小于NPS12時(shí)略有差別，口徑大于等于NPS12時(shí)扭矩差別較大。
另外，閥門(mén)最大和最小扭矩差值較大，分析其主要原因是閥桿、密封圈或蝶板加工精度及光潔度不夠、閥桿與閥體通孔同軸度低或填料壓蓋的螺栓預(yù)緊力不相均衡。經(jīng)實(shí)踐證明，可采用改進(jìn)閥門(mén)加工工藝和提高零件精度等措施，保證閥門(mén)具有相應(yīng)統(tǒng)一的閥門(mén)扭矩。
①嚴(yán)格控制閥桿及填料函的加工精度及粗糙度。為保證閥桿的密封要求，閥桿與填料接觸面積的表面粗糙度Ra值為018μm，填料函表面粗糙度Ra值為312μm或更光滑。對(duì)于閥桿及填料函表面光潔度的問(wèn)題，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多企業(yè)都沒(méi)有足夠的認(rèn)識(shí)和重視。閥桿及填料函表面光潔度不夠，容易導(dǎo)致填料的磨損，填料的磨損又會(huì)使閥桿在動(dòng)作過(guò)程中表面光潔度降低，形成惡性循環(huán)。長(zhǎng)此以往，不僅增大了填料與閥桿間的摩擦力，而且容易導(dǎo)致介質(zhì)從填料處發(fā)生外漏。
②嚴(yán)格控制密封圈和蝶板的加工精度及光潔度。
③為保證閥體與閥桿配合面的同軸度，閥體上下通孔應(yīng)一刀加工。 改進(jìn)后，閥門(mén)最大最小扭矩波動(dòng)變小，一般可以控制在10%左右。
防火、防靜電、防射出結(jié)構(gòu)
隨著蝶閥在控制工藝過(guò)程中的使用，對(duì)處理碳?xì)浠衔镆约笆汀⑹突�、化學(xué)工業(yè)中易燃介質(zhì)的高性能蝶閥提出了防火及防靜電的要求，另外在很多場(chǎng)合也提出了當(dāng)管道異常升壓時(shí)閥桿防射出的要求。
防火型的高性能蝶閥用在要求發(fā)生火情環(huán)境下仍能可靠密封的場(chǎng)合。正常工作時(shí)，彈性閥座與蝶板接觸并保持密封。當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，一旦四氟密封圈被燒毀或軟化，金屬層在介質(zhì)壓力作用下推向蝶板仍能起到密封作用。待災(zāi)情解除后再予修復(fù)或更換。著火時(shí)，允許閥座、閥蓋或閥桿有少量的泄漏。
設(shè)計(jì)符合API607、API6FA耐火試驗(yàn)的規(guī)定。
當(dāng)用戶提出防靜電要求時(shí)，閥門(mén)應(yīng)設(shè)計(jì)靜電連通結(jié)構(gòu)。蝶板與閥桿之間以及閥桿與閥體之間形成靜電通道。這樣，因摩擦而產(chǎn)生的靜電便通過(guò)閥桿傳到閥體，從而通過(guò)管道與地接觸，消除靜電積累。
按照API609中對(duì)高性能蝶閥提出了閥桿需設(shè)置防射出機(jī)構(gòu)的要求，當(dāng)閥桿同蝶板連接處或閥桿內(nèi)部出現(xiàn)損壞時(shí)，由于內(nèi)壓作用，閥桿任何部分不致從閥門(mén)射出。此設(shè)計(jì)不應(yīng)依賴于驅(qū)動(dòng)裝置（如齒輪箱、驅(qū)動(dòng)器、把手等）限制閥桿射出。
高性能蝶閥具有體積小，質(zhì)量輕，操作方便，操作力矩小、雙向密封、密封和調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前高性能蝶閥向防火型、智能型方向的快速發(fā)展，將會(huì)給高性能蝶閥的應(yīng)用開(kāi)拓更為寬廣的領(lǐng)域。
