超低温双偏心蝶阀的研究
通过双偏心蝶板设计、超低温工况下新型硬密封结构设计，以及主要零件材料选择的研究，研制了DN300-PN10超低温双偏心蝶阀。搭建了超低温蝶阀试验台架，验证了研制的超低温蝶阀在常温或超低温工况下具有良好的密封性能，达到了ANSI/FCI70-2中Ⅵ级以及JB/T7749中低温蝶阀密封性能的要求。
1、概述
超低温蝶阀主要应用于液化天然气和液氮等管路系统，控制管路启闭或调节设备。针对国内市场对超低温阀门的需求及其产品基本上依赖于进口的状况，研制了一种新型超低温蝶阀。产品采用了双偏心结构和弹性金属密封结构，双偏心结构可大幅度消除蝶阀启闭过程中蝶板与密封圈不必要的过度挤压和刮擦等现象，弹性金属密封结构可有效地补偿温度变化带来的变形影响，两种结构的应用可有效地提高超低温工况下蝶阀的密封性能。
2、设计
(1)蝶板
蝶板为部分球体结构型式的双偏心蝶板，其基本结构如图1所示，点O为通过蝶板球心平行于转动轴的直线与该直线垂直剖切面上的交点，点O'为双偏心蝶板转动轴在剖切面上的交点，A、B、C及D为蝶板在剖切面上的边缘点，e、c分别为点O'与点O的径向、轴向偏心距，R为剖切面上蝶板所在圆半径，t、s分别为边AD与点O、边BC的距离，α、β及λ为相应夹角。蝶板按旋转轴的垂直面作切面主要有图1(b)、图1(c)两种情况，图1(b)为蝶板中间段密封情况，图1(c)为蝶板转动轴上下两端附近的密封情况。
根据双偏心蝶阀的结构特点及其双偏心作用，图1中A、B、C及D边缘点的旋转半径R1、R2、R3及R4必须满足R1>R2，R3>R4相对关系的同时成立。
根据几何作图可以确定双偏心蝶板转动轴上点O'的适合区域，如图1(a)所示。在确定双偏心蝶板转动轴适合区域的基础上，对蝶板边缘点的旋转半径R1、R2、R3及R4进行进一步的计算，当为图1(b)情况时，有
通过双偏心蝶板几何关系的分析，在确定双偏心蝶板转动轴适合区域的基础上，结合密封结构中所需的密封件压缩量以及综合考虑双偏心蝶板产生的附加静水力矩等因素，利用式(1)～(5)进行蝶板密封面边缘极限位置差值R1-R2，R3-R4等数值计算，可确定合适的双偏心蝶板结构尺寸。
(2)密封结构
在超低温工况下，软密封材料会发生冷脆等不良现象，使密封结构失效。超低温蝶阀采用弹性金属密封结构(图2)，通过调节螺栓控制压环位置调整弹性金属密封圈的压缩量以满足密封要求。其中弹性金属密封圈为关键零件，它由外层、内层以及内部弹簧组成(图3)，外层的主要材料为铜，具有良好的硬密封性能，内层主要材料为适合超低温应用环境的不锈钢，保证密封件具有一定的刚度。内部弹簧使密封件具有一定的弹性，可以很好地减小温度变化带来的材料热胀冷缩对密封性能产生的影响。
1.蝶板 2.阀体 3.挡圈 4.调节螺栓 5.定位板 6.压环 7.弹性金属密封圈
图2 弹性金属密封结构
1.外层 2.内层 3.弹簧
图3 弹性金属密封圈结构
(3)材料选择
在低温条件下，金属材料的强度和硬度提高，塑性和韧性降低，呈现出不同程度的低温冷脆现象，严重影响到蝶阀的性能和安全。为了防止材料在低温下的脆断，阀体和蝶板等承压零部件采用奥氏体不锈钢(如304L、316、316L等，其中316L的稳定性最好，没有明显的低温冷脆临界温度，在低温条件下，仍能保持较高的韧性，因此阀体和蝶板等承压部件选用316L材料。
3、试验
参照BS6364、JB/T7749等相关低温阀门试验标准，搭建了超低温蝶阀试验装置(图4)，通过减压阀和截止阀等组合操作对蝶阀的密封性能进行测试。在试验过程中，通过热电偶监测阀体、阀盖及蝶板等部位的温度，达到试验温度要求后，用低温测试介质氦气进行蝶阀的密封性能试验。
1.氦气瓶 2.截止阀 3.减压阀 4.压力表 5.被测阀 6.酒精瓶 7.流量计
图4 蝶阀低温试验装置原理
在双偏心蝶板、密封结构以及阀门主要零件选用材料等方面研究成果的基础上，研制了DN300-PN10超低温双偏心蝶阀，并在试验装置上用氦气对该阀分别进行常温与液氮工况下的密封性能试验。试验结果表明DN300-PN10超低温双偏心蝶阀常温下的泄漏量小于16ml/min。在液氮超低温工况下，该阀泄漏量小于100ml/min。
4、结语
通过双偏心蝶板几何关系研究，提出的数值计算公式，结合密封结构中所需的密封件压缩量以及综合考虑双偏心蝶板产生的附加静水力矩等方面因素，可以较好的确定双偏心蝶板的结构尺寸。提出的弹性金属密封结构可以较好地减少温度变化带来的材料热胀冷缩对密封性能产生的影响。选用的316L材料作为阀体、蝶板等零件材料应用于超低温工况是适宜的。研制的DN300-PN10超低温双偏心蝶阀的密封性能达到了ANSI/FCI70-2中Ⅵ级以及JB/T7749中低温蝶阀对密封性能的要求。
