符合标准的双向硬密封蝶阀

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  摘 要:介绍了三偏心双向硬密封蝶阀的在设计开发过程中,承压件、控压件强度、刚度对密封性能的重要影响;在设计开发过程中借助以往同类产品设计经验,和在使用过程中密封存在的实际问题,采取有效的改进措施,应用于此次高温、高压32" 900lb双向硬密封蝶阀设计开发过程,。在制造过程中,从严格执行工艺纪律着手,使本样机装配完工后,经过试压,一次密封合格率达到100%,为后续特殊工况硬密封蝶阀系列产品的开发工作奠定了坚实的基础。
  关键词:双向密封蝶阀;压力试验;密封试验;蝶板承载能力试验;0泄漏
  1、概述
  蝶阀是现代石油、化工等工业领域中应用广泛的一种重要的流体控制设备和压力管道元件,具有适用范围广、流通能力大、结构简单、重量轻、安装方便、启闭迅速等优点,特别是双向硬密封蝶阀,具有耐温高、密封性好、使用寿命长等优势,在水系统、气系统得到广泛应用,具体体现在:火力发电厂、核电站各种供水系统、热力管网及污水处理系统、市政工程的给排水系统、水电站大型水轮机的进水系统,以及电力、石油、化工、冶金、建材、船舶、造纸、纺织、城市燃气、上下水系统、食品行业、原子能和国防等工程中许多场合都采用蝶阀;蝶阀能够输送和控制的介质有水、凝结水、污水、海水、各种液态石化介质,以及空气、煤气、蒸汽等气体,还有干灰粉末、泥浆、果浆及带悬浮物的混合物等等;根据蝶阀的广泛适用性,蝶阀目前不仅仅应用在低压大口径场合,而且向高温、高压等特种高参数方向发展,且应用越来越广泛,如本文介绍的型号为32"DTD943Y-900lbI三偏心硬密封双向密封0泄漏的高温、高压蝶阀的开发,迎合了市场和顾客需求。该产品设计标准执行JB∕T 8527-2015 《金属密封蝶阀》标准,检验和试验满足《工业阀门  压力试验》GB/T13927-2008标准要求,同时赢得了市场,达到了供需双赢的目的。
  2、赢得市场,以顾客为关注焦点
  要想得到顾客满意,就要以顾客为关注焦点,最基本的就是向顾客提供符合标准要求的产品,江南阀门公司在设计开发高温、高压三偏心双向金属硬密封蝶阀时,分析了以往三偏心金属硬密封蝶阀在使用过程中密封存在反向密封试验不合格的根本原因,解决其根本原因就在于在保证阀体整体强度、刚度满足要求的前提下,采取加强蝶板、阀杆强度和刚度的有效措施;借鉴以往设计开发产品32"DTD343Y-300lbP (CF10材质)阀门设计开发的以及以往同类产品经验数据,设计并制造了样机32"DTD943Y-900lbI样机一次试制成功。
  根据GB/T13927-2008《工业阀门 压力试验》(以下简称“试验标准”)标准要求,对该阀门进行了规定的压力试验,具体为:液体壳体试验、气体低压密封试验、液体高压密封试验、蝶板承载能力试验(见3.2)注;在上述规定的试验项目中,液体壳体试验、气体低压密封试验、正向密封试验完全符合试验标准要求,本文重点介绍反向液体高压密封试验的情况。
  注:蝶板承载能力试验是JB/T8527要求内容,不是GB/T13927-2008中规定的试验项目。
  因试验标准对蝶阀密封试验方法有明确的规定:封闭阀门的一端,关闭阀门的启闭件,给阀门内腔充满试验介质,逐渐加压到规定的试验压力,在规定时间内保持压力不变;检查另一端的泄漏情况。重复上述步骤和动作,将阀门换方向试验。
  这充分说明:一台符合GB/T13927-2008《工业阀门 压力试验》标准的蝶阀产品,就应完全符合该规定要求,也就是说正反双向进行密封试验,完全符合试验标准的蝶阀产品才是达标的产品。
  3、主要承压件和控压件强度与尺寸计算
  3.1阀体的强度与尺寸计算
  阀体的强度与尺寸计算主要是阀门壁厚的计算,参考GB/T12238附录A阀门最小壁厚的计算公式:
  式中:t —阀体最小壁厚,mm;P —最高使用压力,MPa;C —腐蚀裕度,取C=5mm;D —蝶阀通径,mm;W —材料许用应力,WC9的许用应力为110MPa。
  将设计数据代入上述式中,阀体壁厚的计算如下:
  型号:32"DTD943Y-900lbI,P=16,D=800,W=110,C=5,t=59,t′=105。
  t′为阀体的设计壁厚, t′>t,阀体强度满足设计要求。
  而根据GB/T12224-2015中,表3A Class系列阀门壳体最小壁厚tm,公称压力Class900,内径d=800mm时,tm=86.1mm,则阀体设计壁厚t′=105mm,阀体强度和刚度有所加强,根据设计经验,阀体更能够满足预定要求。
  3.2蝶板承载能力试验具体要求
  试验中,根据阀体材质为WC9,结合GB/T12224-2015中,表2-7A  Class系列阀门标准压力级压力—温度额定值,得出:公称压力Class900,在温度-29℃~38℃,对应工作压力为15.51 MPa;那么阀门压力试验时密封试验压力为:1.1x15.51=17.061MPa≈17.1 MPa,蝶板承载能力试验压力和阀门强度试验压力相同,均为:1.5x15.51=23.265 MPa≈23.3MPa;利用两个压力值进行两个阶段试验观察,以利于为后续产品设计和开发提供第一手资料。
  以下压力试验为反向打压情况,因正向密封压力试验不存在密封泄漏的问题,对反向密封试验进行重点关注。
  在蝶板大面一侧确定三个位置为测量点(将偏离阀体中心后蝶板面积较大的一侧平常俗称为蝶板大面,相反偏离阀体中心后面积较小的一侧,俗称为蝶板小面),测量点处的表面粗糙度经处理后不大于Ra0.1μm,以保证测量精度和准确性(详图1阀门试验检测简图),在蝶板边缘布置3个千分表,检查调整好千分表的浮动零位,三个表通过测头检测阀门承压状态下引起蝶板的微小变形量,仔细观察建立相关记录;在第一階段进行密封压力试验,逐渐增加到17.1 MPa时,保压10min(均大于标准规定保压时间2min),度盘指针显示结果:三只千分表①、②、③指针始终在±3μm摆动,几乎与其最大允许误差±2.5μm接近,转数指针始终在零位摆动,阀门未产生泄漏。   在第二阶段进行蝶板承载能力试验:压力由密封试验压力17.1 MPa逐渐增加到蝶板承载能力试验压力23.3MPa时,保压30min(均大于标准规定保压时间不少于10min),盘指针显示结果:千分表①指针峰值达到0.152mm,发现有可见液体泄漏;千分表②指针峰值达到0.095mm,发现有可见液体泄漏;千分表③指针峰值达到0.093mm,发现有可见液体泄漏;从三只千分表显示结果,蝶板在试验过程中产生了微小变形量,造成阀门泄漏;且说明:此时三个测量点按照蝶板为静态,未考虑千分表的示值误差和回程误差。
  完成蝶板承载能力试验后,上述实验过程中蝶板发生的变形量在试验压力卸除后,此微小变形量得到完全恢复,经对蝶板检测未发现有害的永久变形和损坏,蝶板承载能力试验符合标准要求,上述一手试验数据,记录保存便于为以后产品设计开发提供有效依据。
  3.3蝶板承载能力试验条件
  蝶板在1.5倍最大允许压差下不发生有害永久变形和不发生损坏。
  4、蝶板、阀杆的强度与尺寸计算
  以往经验数据应用于本次32"DTD943Y-900lb设计过程中,增加承压件、控压件刚度,使该阀达到反向密封试验0泄漏的效果。按照JB∕T 8527-2015 《金属密封蝶阀》产品标准要求,蝶板厚度不宜超过阀杆直径的2.25倍;本产品设计完全符合标准要求(详见4.3条款)。
  4.1、蝶板的强度与尺寸计算
  对于阀轴为整轴的阀门,B-B断面由于阀杆的刚性支撑作用可不作计算,因此整轴的阀门只校核A-A断面强度。
  P—最高使用压力MPa,根据GB/T12224-2015中,表D.3标准压力级阀门最高额定值的工作使用压力得,P=15.51MPa≈16MPa;
  D—蝶板直径,根据以往设计经验值初定777.5mm ;
  b —蝶板厚度(最大轮廓尺寸),mm ;
  为保证蝶阀使用安全考虑,初步计算确定蝶板最大轮廓尺寸厚度b为:b=378mm;
  WC9材料的许用应力:[σw]=110MPa。
  将设计数据代入上述式中,计算数据为:P=16MPa,D=777.5 mm,b=378 mm,σWA=39.5 MPa,[σWA] =110 MPa。
  由上述可知,σWA<[σWA],A-A斷面强度满足设计要求。
  最终确定蝶板最大厚度b为:b= 378mm。
  4.2阀杆的强度与尺寸计算
  4.2.1阀杆的扭矩计算
  蝶阀开启时扭矩最大,因此按开启时计算阀杆扭矩M。对于金属密封蝶阀,阀杆扭矩:M=M1+M2+M3+M4+M5+M6
  式中:
  M1—密封面摩擦力矩。
  对于偏心蝶阀:
  《实用阀门设计手册》,表5-159;
  M2—轴承摩擦力矩
  Mc=0.5×0.785×D×P×fc×d;
  M3—偏心力矩
  M3=0.785×D×P×E;
  M4—填料摩擦力矩
  M4=ψ×d×bT×P×0.5d;
  M5—静水力矩
  M5=0,当阀杆垂直安装时为0;
  M6—动水力矩
  M6=0,阀门未开启时,动水力矩为0;
  密封比压 q=13.9,见《阀门设计计算手册》(第二版,表4-16),;
  蝶板密封半径R=0.3783m;。
  密封面的接触宽度(蝶板密封面凸出宽度);b=0.0198 m。
  密封面摩擦系数;fm =0.15
  蝶板密封直径D。
  计算压力P=16 MPa。
  轴承摩擦系数fc =0.15。
  阀杆直径d =0.238 m。
  阀杆偏心E =0.02m。
  填料系数ψ=1.61,见《实用阀门设计手册》,表3-15;
  填料宽度bT =0.016 m,密封高度h=0.155 m。
  金属密封蝶阀的阀杆扭矩计算数值如下:
  密封力矩M1=25461.8 N.m,轴承力矩M2=107848.4 N.m,偏心力矩M3=143797.8 N.m,填料力矩M4=8243.2 N.m。
  阀杆总力矩M= M1+ M2+ M3+ M4=285351.2 N.m。
  4.2.2 阀杆的强度验算
  (1)阀杆的弯矩计算
  Mw=Q×H=0.5×0.785×D2×P×H
  式中:
  蝶板密封直径D=777.5mm;
  计算压力P=16MPa;
  蝶板轴座离轴承中心的距离H=0.025m;
  将设计数据代入上述式中,计算结果:Mw=94907.5 Nm。
  (2)阀杆最大扭转应力校核:
  阀杆最大扭转剪应力:
  将设计数据代入上述式中,计算结果为:τN=178.3 MPa<[τN] =180 MPa,经校核符合要求。
  (3)阀杆最大弯曲应力校核
  阀杆最大弯曲应力:
  将设计数据代入上述式中,计算结果为:σW =118.6 MPa<[σW]= 336 MPa,经校核符合要求。
  4.3采取增加蝶板整体刚度措施
  因经过对阀杆蝶板强度校核后,已知阀杆最小直径为:
  d杆=238mm,蝶板厚度b=378mm;b=378mm<2.25 d杆=535.5mm,符合JB/T8527标准5.9.3要求。
  蝶板在满足产品标准JB/T8527要求前提下,结合以往阀门设计开发相关经验,在蝶板整体面积上由蝶板中心向四周逐渐加强刚度的措施,根据试验压强固定条件下,面积较大侧则承受压力就大,故重点加强蝶板的阀杆中心偏离后蝶板面积较大一侧的刚度;同等条件下,蝶板大面强度和刚度有保证,则蝶板小面强度和刚度更没有问题;根据这个原则,采取由蝶板中心向蝶板四周逐渐加强的措施,且与铸造厂技术人员进行了相关铸造工艺方面的沟通及改进,避免铸造过程中工件不合格的发生;装配完工后经过该阀门密封试验和蝶板承载能力试验,蝶板增强刚度措施取得良好的效果,试制样机试验效果达到预定目的。
  5、结语
  此此次高温、高压双向密封硬密封蝶阀试制过程中,工程技术人员及时跟踪,从生产制造过程严格执行工艺纪律着手,在产品装配后,按照GB/T13927-2008《工业阀门  压力试验》要求检验与试验,装配后正反双向进行密封试验,密封试压一次合格率达100%,达到双向密封0泄漏,向顾客提供了合格、满意的产品,赢得客户赞许!
  作者简介:
  陈银忠(1965-),汉,男,河南鹤壁,本科,高工/副总,研究方向:主要从事质量管理体系方面管理工作和相关阀门产品的研究开发工作.
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