与美国jamesbury公司发展800系列高性能蝶阀的同时,德国人karl adams在1960年申请了一个三偏心、锥形密封面蝶阀的专利。如图(8)所示,这一专利被admas公司广泛地发展成htk型、mak型、hpv型、hbpv系列蝶阀产品以满足油气工业,石油化工,火力发电,原子能工业,区域供热,深冷及lng工业等的需要,除隔断型蝶阀之外,还发展成蝶形止回阀,蝶阀控制阀,球形蝶阀等系列产品,其压力等级class150至600,个别型号发展至class900,1500,通径从3”至160”。
图8 adams三偏心锥形密封面蝶阀
图9 三偏心结构
从图(9)可以看出,第一个偏心“1 os”是回转轴偏离管道的流通中心线;第二个偏心是“2 os”环形密封线偏离回转轴;第三个偏心“3 os”是锥形密封面的圆锥回转中心线与管道流通中心线斜交呈β角。应该指出,这是截止阀锥形密封面密封技术嫁接在蝶阀上的一种创新,从蝶板回转的几何轨迹上分析,必须是三偏心,否则会产生干涉。
就其密封结构看,是多层次密封元件,即由一层金属,一层石墨(或ptfe),一层金属……组成。这一密封原理本质上是迷宫式密封,介质需通过一层金属,一层石墨,一层金属……慢慢地泄漏。这一设计思想巧妙地违避密封标准对它的检查,在试验标准规定的持续时间间隔内,介质尚未完全通过曲折的密封路径,试验时间已到,认为达到了气泡级的零泄漏。
如果试验时间足够长,例如实际使用工况,在上下游压差作用下,从第一层泄漏出一个介质分子,必定在最后一层也泄漏一个介质分子,因为多层次内的间隙已被介质所填满。这就是从流体的连续方程来解读多层次密封结构密封的本质,否则就违反了最基本的流体连续方程。遗憾的是,迄今为止,未见到一家设计院、工程公司,用户在他们的规格书中,提出对多层次结构的蝶阀做长时间的密封试验,以精确地捡出其实际工况条件下的泄漏量。
另外,这一密封结构是保留了截止阀强制密封的结构特征,操作扭矩大,难于做到双向密封,当轴的位置在上游侧,介质压差帮助了锥形密封,使它越压越紧。当轴的位置在下游侧,则介质压差,使蝶板脱离密封面,可能导致泄漏的倾向,或者需要的关闭力矩足够大。
除此之外,这一结构的密封位置是唯一的已被结构所限定。因此,需要高精度的加工中心来保证零件的精度和零件的互换性。一般加工设备差的工厂,在装配中,先把蝶板的锥面与阀体锥面对中,加以固定后,再加工阀体和蝶板的轴孔。每一台产品都是单配的,没有互换性。
adams五十年来对这一结构发展成多种密封结构型式,如多层次密封(laminated seal),可更换型密封(replaceable seal),软密封(soft seal)等。
4. 第三代neldisc的u形密封圈蝶阀
原芬兰neles公司为满足北欧地区区域供热的需要,在三偏心锥形蝶板上,用一个截面为u形的金属密封环,使三偏心锥形密封得到了创新的发展。这就是l90系列、l12系列产品的浮动弹性neldisc密封环专利技术。迄今已有三十年以上的历史。系列产品的规格为:压力等级:class150,300;通径:dn125——dn1400;温度: 250°;密封等级:ansi class v;连接方式:焊接端、法兰端。
主要用于区域供热,在这一阀型基础上,可提供高温结构以及s-disc压力平衡式蝶板结构为特殊工况服务。
neldisc密封技术的特征是彻底拚弃锥形密封面与多层次密封件强制密封的传统理念,消除其固有的缺陷。
这一理念是申请了一个u形截面,浮动的,带有弹性的密封环专利。是一个自动与蝶板对准的动态阀座,保持一个最佳的密封状态。
在阀体上与u形环相配内槽,有足够的深度允许u型密封环作径向自由移动,不发生卡死现象。
neleisc的蝶板是一个在锥体上斜切的椭圆,其短轴在回转轴线方向,长轴在水平方向,这一个椭圆形蝶板跟随一个两偏心的转轴作90°回转。当蝶板转入关闭位置与u形密封环相接触时,使u形环的形状随椭圆形蝶板发生位移,从环状变为椭圆状。u形金属环储存恢复其初始状态的弹性变形能,可以达到ansi classv级密封。在阀门开启的初始,接触就立刻脱离,密封环恢复其原来的形状,这就是具有记忆特性,其结果是减少了密封环的磨损,使之具备10万次以上的循环寿命,如图(10)所示。
图10 neldisc的蝶板结构
5. 高压与超高压蝶阀
在蝶阀取代闸阀的过程中,与球阀一样,是一个从低压向高压、从软密封向金属密封的发展过程,但对蝶阀来说,随着压差的增加,启闭扭矩成比例增加,轴径增大、蝶板变厚,从而阻塞蝶阀的流道,在高压蝶阀设计中,流量系数是一个十分重要的指标。
高压蝶阀,我们通常是指class900~2500压力级的蝶阀,外国阀门公司的产品已进入中国市场,在合成氨工业的原料气,氢气和尾气排放,煤化工气化炉上水冲洗阀,灰水阀,紧急排放阀,煤制甲醇,煤制烯烃、气体分离等工业中的分子筛切换阀,以及pta生产,油库,精细化工中获得应用。因此,国内高压蝶阀的开发是急待解决的一个项目。
进入中国市场的公司有vanessa,orton,emerson公司的fisher,metso公司的mapag。就其结构型式分为两大类:(1)以意大利vanessa和orton公司为代表的三偏心锥形多层次强制密封结构;(2)以mapag和fisher公司为代表的两偏心弹性金属环球面密封的密封结构。下面介绍vanessa和mapag高压蝶阀的结构以及产品特征。
(1) vanessa 30000系列高压蝶阀
vanessa的高压蝶阀如图(11)所示,是一个三偏心蝶阀,多层次密封环固定在蝶板上,样本上承诺:在标准api598与api 6d规定的时间间隔内为无可见的“零”泄漏。阀体锥面堆焊stellite合金,采用以金属为基体石墨长寿命滑动轴承,以及一个两半的填料压盖以防止阀杆吹出。
图11 vanessa的高压蝶阀
阀体材料常规的为wcb,cf8m,lcb,wc6,特殊的可提供双相不锈钢、inconel、20号合金等;阀体型式为对夹式,法兰式;其规格尺寸的范围:压力等级:class150~class900;通径:3”至112”。
除常规产品外,可发展为深冷蝶阀(至-254℃),高温蝶阀(815℃),蒸汽夹套蝶阀(450℃),广泛用于油气工业,海洋石油平台,石油精炼,碳氢化合物的存储与输送,lng存储与输送,石油化工,电力,区域供热,造纸与纸浆等。
(2) mapag高压高性能蝶阀
mapag的bw系列金属密封,两偏心蝶阀采用整体式阀体设计,可用于切断或流体控制,短结构双法兰的阀体适合于石油精炼、电力、石油化工等领域。
bw系列是采用了mapag偏心的金属密封设计,提供了一个长寿命控制阀和高循环次数的开关隔离阀,可用于高温和磨损的环境,压力等级asme class900至2500,其优良的开关特性为:
1) 一个全金属密封环的设计,确保了长时间的气密性;
2) 蝶板和阀座之间的接触是通过机构引导,不依赖于压差完成;
3) 甚至在高循环的情况下,仍具有双向长期的气密性。气密性也不受大的热循环影响。
4) 低摩擦和非常好的耐磨性;
5) 较低的操作扭矩减少了执行机构的尺寸;
6) 耐用的阀杆和精制的轴承设计,延长了其使用寿命,并且对热循环和杂质不敏感。
作为调节阀,具有良好的流体控制能力:
1) 升的安装特性曲线在非常小的开度和全cv位置具有良好的可控性。在低压降应用中,bw提供了非常宽的可调比。
2) 在流向处具有良好的动态稳定性。
3) 可用各种执行机构,定位器和附件。安装尺寸根据iso 5211标准。
产品的结构设计是一个全金属的u形金属环,可用于耐磨损的场合,不存在多层次密封环非金属材料磨损与脱落。自动加载的填料,提高了气密性,泄漏低于国际标准。最高温度可达到1150℃,材料的温度压力等级符合asme b16.34,长的循环寿命减少了维护的需要,提高了无故障运行时间,零件互换性好,维护方便,无需特殊工具。产品如图12所示。
图12 mapag蝶阀
流量系数,操作扭矩,循环寿命,单向、双向密封等作了定性的分析。下面就流量系数和关闭扭矩作出定量的比较。表1为流量系数比较,表2为操作扭矩比较,表中的数据均摘自各公司公开发行的产品样本。
表1 class600,class900压力级高性能蝶阀cv值
表2 class600,class900压力级高性能蝶阀扭矩
从表2可知,多层次锥形密封面蝶阀最大关闭力矩,是挠性金属球形密封面蝶阀的3~4.5倍。这一数字是惊人的,这就要从原理上去寻求答案。就是锥形多层次金属密封是一个强制密封,需要一个强制的密封力;而介质挠性金属密封则是介质密封,扭矩只需克服流体动力扭矩和轴摩擦力矩,将蝶板置于“开”或“关”的位置上,密封力由介质压力差提供,就是介质压力激励的挠性变形能自密封原理的优点。由于扭矩的增大,肯定流量系数会减少,如表1所示。大致相差一个阀门通径的等级。
鉴于锥形密封面的固有缺陷,像德国的adams亦在发展mak-l2系列的球面密封双偏心蝶阀;日本tomoe亦发展了300系列的球面密封双偏心蝶阀,以提高蝶阀的流量系数和降低操作扭矩。
至于蝶瓣回转轴的偏心,是两偏心还是三偏心,是从属于蝶瓣密封面是球面还是锥面,这是几何学上的干涉问题,利用三维cad作图就可解决。在总体结构合理的条件下,偏心值宜小不宜大。
至此,我们说高性能蝶阀五十多年来的发展,形成两个流派,一个是以介质激励的挠性变性能自密封技术为特征,如fisher、neles、jamesbury、xomox、mapag等公司;另一个是锥形多层次金属靠外力强制密封的技术,如adams、vanessa、orton公司。class 900压力级以上的高压蝶阀目前仍从国外公司进口,因此,这一蝶阀的国产化是中国二十一世纪阀门发展的一个新的领域。