三偏心蝶阀密封结构与安装方向探讨

吴 军 蔡晓峰 张玉玲

(1.中国五环工程有限公司；2.辉瑞(武汉)研究开发有限中心)

蝶阀是近年来发展最为迅速的阀门种类之一，随着工业技术的发展，蝶阀的适用范围愈加广泛，种类和数量不断扩大，并向着耐高温高压、高密封性、大口径、寿命长、调节特性优良和多功能的方向发展。蝶阀的分类方式有很多，一般按阀门构造可分为中线密封蝶阀、单偏心蝶阀、双偏心蝶阀和三偏心蝶阀；按密封结构可分为金属密封和衬橡胶或衬氟塑料的软密封，其中，金属密封可采用多层密封结构或弹性密封结构。

为满足多种不同的工况，蝶阀历经了同心、单偏心到双偏心的转变。一般，耐高温双偏心蝶阀必需选用硬密封，但会有泄漏量大的缺点；零泄漏双偏心蝶阀必需使用软密封，但会有不耐高温的缺点。为克服这一矛盾，又对蝶阀进行了第三次偏心[1]，高性能三偏心蝶阀具有三重偏置，可提高其作用效率，且具有防漏功能[2]。

在此，笔者在对几种蝶阀的密封结构及其性能对比分析的基础上，以三偏心蝶阀为例，详细分析其密封结构与安装方向。

1 几种蝶阀的比较

按阀蝶与中心线的相对位置，可将其分为两种：低压或中心对称蝶阀，其阀蝶与轴线是同心的，在开启位置，阀蝶将流体等分，阀蝶在中间且与流动方向平行；高性能或偏置蝶阀，其阀蝶与阀门中心存在一个偏置，这种偏置使得阀蝶总是偏心的远离或朝向阀座。

几种蝶阀的密封原理如下[3]。

中线密封蝶阀(图1)。阀板在加工时需要确保它的密封面具备一定的表面粗糙度，合成橡胶阀座压模成形构成的密封面也需要具备一定的表面粗糙度。阀门封闭时，阀板转动，阀板的外圆密封面通过压挤合成橡胶阀座，使合成橡胶阀座发生弹性力并作为密封比压确保阀门的密封。

图1 典型的中线密封蝶阀密封构造

单偏心蝶阀(图2)。当单偏心蝶阀处于打开的状态时，其阀板密封面会离开阀座密封面，尤其当阀板从0°转动到20～25°之间时，阀座密封面与阀板密封面将彻底分离。当单偏心蝶阀关闭时，阀板在转动的过程中，其外圆密封面逐步靠近并挤压聚四氟乙烯阀座，使阀座发生弹性形变，产生的弹性力作为密封比压确保蝶阀的密封。如此，单偏心蝶阀的开闭不但使阀座与阀板两密封面之间的机械磨损和压挤大幅下降，而且使蝶阀的密封性得以提高。

图2 典型的单偏心蝶阀密封构造

双偏心蝶阀(图3)。当阀板打开90°时，由于存在尺寸偏差b，使得阀板的转动半径分成短半径和长半径。长半径转动轨道的切线与阀座密封面形成一个θ角，使阀座与阀板之间存在一个渐出离开和渐入压挤的作用，因而降低了阀板开闭时双偏心蝶阀密封副两密封面之间的机械磨损和擦伤。该类型蝶阀的阀板密封面和阀座密封面的间隙比单偏心蝶阀的大，比中线蝶阀能够更快离开阀座密封面。

图3 典型的双偏心蝶阀密封构造

三偏心蝶阀(图4)。当三偏心蝶阀处于彻底打开状态时，其阀板密封面与阀座密封面彻底分离，并且在阀体与阀板两个密封面之间形成一个和双偏心蝶阀类似的间隙。由图4可知，由于产生了β偏置角，在长半径与短半径转动的阀板大、小半圆上，阀板密封面转动轨迹的切线与阀座密封面构成了θ1、θ2角，从而使阀板开闭时密封面相对于阀座密封面渐出离开和渐入压紧，完全消除了阀板开闭时密封副两密封面之间的机械磨损与擦伤。该类蝶阀在逐渐打开时，其阀板的密封面会在开启的一瞬间马上离开阀座密封面；当逐渐关闭时，只有闭合瞬间，阀板密封面才会触碰并紧压阀座密封面。

图4 典型的三偏心蝶阀密封构造

笔者根据各类型蝶阀的文献资料并结合现场实际经验，将蝶阀的密封型式、密封性能、机械磨损、泄漏情况及制造成本等性能进行定性的对比分析(表1)，方便工程设计人员能更准确地选用蝶阀和判断蝶阀方向。需要注意的是，蝶阀的方向性与蝶阀型式和密封型式有着密切的联系。

表1 几种蝶阀性能的对比结果

注：根据阀座结构型式的不同，有单向密封和双向密封，即使是双向密封，两个方向的密封能力也不是完全相同的，通常轴侧高压的密封效果好于板侧高压，所以表中单向指的是严格意义上的理论方向。

2 三偏心蝶阀的结构与安装

2.1三偏心蝶阀的结构

普通蝶阀具有一个偏心，即阀轴中心线与阀板中心线(密封面中心线)偏移；高性能蝶阀在此基础上多加一个偏心，即阀轴中心线与阀门中心线(管道中心线)偏移。双偏心的目的是使阀板开到20°以后，密封副之间互相分离，减少磨擦(凸轮效应)。三偏心蝶阀在双偏心蝶阀的基础上又增添一个偏心——斜锥，即阀板的偏移(密封面与管道垂直面的偏移)。

如此，阀门在逐渐开启时，密封副之间能够彻底分离，不仅强化了凸轮效应，还彻底消除了磨擦；当阀门关闭时，随着密封副逐步闭合，发生楔块效应，凭最小扭矩力完成最严实的关闭。

3种偏心型式蝶阀的对比如图5所示。

图5 3种偏心型式蝶阀的对比

由图5可知，第三次偏心最显著的特征在于其从本质上更改了密封结构，即采用扭力密封，不再依靠阀座的弹性形变实现密封，而是通过阀座的接触面压来满足密封效果，因此实现了金属阀座的零泄漏。并且由于接触面压与介质压力成正比，耐高压高温的问题也迎刃而解[4]。海南LNG使用的Vanessa 30000系列回转式工艺蝶阀就是一种独特的四分之一回转式三偏心蝶阀，其结构如图6、7所示。

图6 海南LNG三偏心蝶阀

图7 海南LNG三偏心蝶阀箭头方向

2.2三偏心蝶阀的安装

2.2.1三偏心蝶阀的安装方向

根据阀体上箭头的不同，可将三偏心蝶阀的安装方向总结为3种情况。

第一种情况，蝶阀阀体上已经注明了表示介质流向的箭头，此时应按流向标示的方向安装使用[1]。

第二种情况，蝶阀阀体上没有任何方向的标示。此时，应查阅阀门厂家说明书，判断蝶阀类型，再根据阀门的结构判断是否有安装方向要求，如果是偏心蝶阀就应引起重视。

第三种情况，蝶阀阀体上标明了压力方向的箭头(箭头的尾端表示受压侧)，如图6、7所示。海南LNG系统的低温蝶阀绝大部分注明的都是压力方向箭头，此时若施工人员在安装时当做介质流向箭头的方式安装，则势必导致阀门密封性变差，降低阀门使用寿命。

以LNG工艺系统为例(图8)，三偏心低温蝶阀V000778的箭头方向由右至左指向安全阀，此时介质的流向显然是从左至右的。因此，此时阀门壳体上的箭头标示方向并不是介质流向，而是阀门关闭时的承压方向，所以调节阀两边的蝶阀箭头方向各指向背向调节阀的方向。

图8 LNG工艺流程系统示意图

偏心蝶阀安装在不同的管路时安装方向不尽相同，其主要目的就是在确保管路正常运作的前提下，需考虑后续的管路维护保养。当安全阀损坏需要检修时，蝶阀关闭，旁路球阀打开，则其承压方向来自右边，因此，图8中蝶阀应背向安全阀安装。

在实际生产过程中，三偏心蝶阀的阀板侧为低压侧，阀轴侧为高压侧，即受压侧，阀门两侧压力不同时，有利于阀门关严，符合三偏心蝶阀的工作要求。如Orton公司对于三偏心金属密封蝶阀的安装要求就是使关闭状态高压侧位于阀轴一侧，以便长期密封。

根据偏心蝶阀结构(阀板侧与阀轴侧)、管道的高低压侧和检修因素，就能准确确定其安装方向。有安装方向的蝶阀，其安装方向应在P&ID图与ISO图(管道轴测图)中标示出来，避免现场施工人员依照图纸安装蝶阀时出错。

2.2.2蝶阀安装方向原因剖析

进口三偏心金属密封蝶阀通常有其推荐的安装方向，不建议反装；国内偏心蝶阀制造工艺相对差些，通常反向比正向差一个泄漏等级或一到两个压力等级，更不能反装。原因如下：

a. 取决于蝶阀的构造。中线密封蝶阀密封构造决定了其双侧压力承受能力是相同的，因此中线密封蝶阀对流向没有要求。偏心蝶阀(包括单偏心、双偏心和三偏心蝶阀)大多对流向有要求，即使是双向密封也只是正反两个方向能在规定的压力等级下满足密封要求，其中必定有一侧可承受更高的压力，使密闭性更好。

b. 方便检修。偏心蝶阀一般阀轴侧为高压侧，阀板侧为低压侧，一旦安装反将导致检修时阀门产生泄漏。

c. 有利于蝶阀的密封，防止内漏。三偏心蝶阀的阀座与阀板密封面之间的密封是通过传动装置的力矩使阀板压向阀座实现的。流道介质顺流时，介质压力越高密封挤压越紧；流道介质逆流时，随着介质压力的增加，当阀座与阀板相互间的单位正压力小于介质压强时，密封开始泄漏。

3 结束语

针对现场施工人员经常将偏心蝶阀方向安装错误的情况，笔者对蝶阀密封原理及其结构进行了探讨。经分析，对于偏心蝶阀尤其是三偏心蝶阀，虽然各阀门厂家标称为双向密封，对安装方向并无要求，但其只是反向密封的承压能力提高，仍不能正向承压。对于三偏心蝶阀，无论从检修还是从密封性的角度考虑，都表明它是具有安装方向的，选择正确的安装方向不仅有利于阀门密封、保护阀门、延长阀门使用寿命，还能最大程度地避免潜在的安全隐患。

[1] 赵建明.三偏心蝶阀的发展及应用[J].内蒙古石油化工,2014,(7):53～54.

[2] Mohinder L N著,李国成译.管道手册[M].北京:中国石化出版社,2006:350～353.

[3] 陆培文,孙晓霞,杨炯良.阀门选用手册[M].北京:机械工业出版社,2009:184～189.

[4] GB/T 12238-2008,法兰和对夹连接弹性密封蝶阀[S].北京:中国标准出版社,2008.