高性能蝶阀的发展
Development of High Performance Butterfly Valve
上海耐莱斯·詹姆斯伯雷阀门有限公司
-邬佑清-
摘要： 本文论述几种高性能蝶阀的发展历史，评述其密封原理、结构特征，并从启闭力矩、密封性能、使用寿命等方面予以比较，最后指出高压蝶阀的发展与应用。
前言
传统的蝶阀是中线衬胶蝶阀，蝶阀的轴线与流道的中心线垂直正交，蝶板的密封线在通过轴线中心与管道垂直的截面上，阀体上衬有特制的橡胶圈，作为密封材料，所以称之为中线衬胶蝶阀。这种蝶阀通过回转轴传递外力至蝶板上，与阀体上橡胶圈发生挤压来达到密封的目的。因此，关闭扭矩大、密封压力低、密封橡胶圈容易损坏，使用寿命短，一般不超过2000次。由于蝶阀的固有特性是结构紧凑，重量轻，价格低廉，仍然在不太重要的场合得到广泛的应用。二十世纪五十年代，在工业领域中占统治地位的，就开关截断阀而言，是长直线行程的闸阀，而就调节阀而言，是截止阀型调节阀。
1943年，美国杜邦公司PTFE四氟塑料的发明，以及车、磨球机的进步，促进球阀的发展，至1950年初，球阀克服了填塞式（Jam-Seal）密封的缺点，研制成功了介质压力自激励的唇式密封技术（Pressure Energize-self Lip-Seal）。工程师们希望将这一技术应用于蝶阀上。
1950年末期，由于航天技术的发展，结构简单、体积小、重量轻这一蝶阀的固有特性，在空间技术中得到青睐与提升，球阀的密封技术被嫁接到蝶阀上，研制出双向密封、低扭矩、高压差、双偏心轴、球面蝶板、介质压力激励的PTFE弹性密封阀座，这种蝶阀被命名为高性能蝶阀（High Performance Butterfly Valve,简称HPBV）。首先被用于美国Atlas火箭发动机的推进剂系统，基于这一成功应用，美国Jamesbury公司的工程师们开发出商业应用的高性能蝶阀，首先在1967年将产品推向市场，至二十一世纪末，已获得三十万台的销售业绩，这是一次蝶阀革命性的发展。
稍后，一种利用截止阀锥面密封结构，将其嫁接到蝶阀上的设计构思被提出来，这就是三偏心、多层次密封件，锥形密封面结构的蝶阀，亦称之为高性能蝶阀，最早见至于德国Adams公司样本。应该指出，这种的蝶阀是强制密封，在操作扭矩，双向密封性能上是逊于介质自激励唇式密封结构的。
有鉴于这一不足，芬兰NELES为满足北欧地区，区域供热的需要，采用三偏心锥形密封面蝶板，配以U形截面金属密封圈，作为产品结构特征，其原理是一个斜切的锥体，在阀门90°关闭位置上，形成一个椭圆形的横截面，将原始状态圆形的U形圈，强制变形为一个椭圆，利用U形金属密封圈的弹性变形能与介质压力，使蝶阀得到满意的密封性能。
上述几种结构的高性能蝶阀，可以是软密封或金属密封，压力等级限于Class 150, 300至Class 600，口径为2-1/2”～72”，在很大的程度上取代传统的闸阀，与球阀一样，在阀门制造业中占引领的地位。
蝶阀是否可以向更高压力发展？其难点在于操作力矩更大，驱动轴更粗，蝶板更厚，影响蝶阀的流通面积，即流量系数CV值会大大降低，甚至近似于阻塞。近几十年来，国际上很多公司作出了试探，如意大利Vanesa，Orton，有Class 600,900,1500磅级的样本，而德国Mapag公司的高压蝶阀可扩展到Class 2500磅级，而且仍有相当大的流量系数。
这样，蝶阀的规格基本上已涵盖阀门在工业上的应用范畴，即压力等级：Class 150至2500，通径2”至72”。蝶阀除了固有的结构原因不可能做成全通径（Full Bore）之外，结构最紧凑、重量最轻、体积最小、角行程回转、便于实现自动化等优点就突显出来，高性能球阀和高性能蝶阀的进一步发展将成为二十一世纪阀门领域的一个重要方面。并将在工业领域中得到更广泛的应用。
下面将分几节来阐述当今蝶阀的现状与发展：1. 介质自激励挠性变形能密封技术在蝶阀上的应用；2. 双偏心球面蝶板蝶阀；3. 三偏心锥面蝶板层叠式密封圈蝶阀；4.第三代NELDISC的U型密封圈蝶阀；5. 高压与超高压蝶阀；6. 几种高压高性能蝶阀的性能比较。
1. 介质激励挠性变形能密封技术在蝶阀上的应用
阀门按作用在密封面上的力来分类，可以分为外力强制密封，如截止阀，中线衬胶蝶阀就是藉助于外力的强制密封。另一种是利用介质的压力差作用在密封面上，获得可靠的密封。例如，浮动球球阀，在上、下游介
利用介质压差的作用力的密封技术可分为两种密封原理。一种是填塞式密封（Jam-Seal），密封座是一块实心的PTFE四氟乙烯塑料，在介质压差作用下引起挤压变形，可以用虎克定律来描述：
式中，σ为挤压应力，E为PTFE材料的弹性模量，ε为相对变形，L为密封材料的尺寸厚度，L为绝对变形，因为材料的E很大，所以ε很小。绝对变形也很小。这样的密封座设计虽然是介质压差密封，但扭矩大，抗温度变化、压差变化、抗磨损能力差。（图1）
图1 填塞式密封座 图2 唇式密封座结构
我们希望密封材料像橡胶一样，压缩时会产生较大的变形，而当接触应力消除后又能恢复到原来的形状，这一现象称之为材料的“记忆特性”，一个较好的例子是橡皮筋，可以被拉长，拉力一旦消失，就恢复原来的形状。这就要使PTFE材料密封座的结构具有记忆特性，就是挠性密封座结构。如图2所示。这一结构密封座装配时有一个初始挠度，而后在介质压差的激励下产生一个工作挠度，这一挠曲变形值y是由材料力学中挠曲线微分方程来描述：
式中，y是挠度，M(x)为x截面上的弯矩，E为材料弹性模量，I为抗弯截面模量。简单的说，挠度y是材料特性、外力及密封座结构的函数。可以将挠度y设计得足够的大来储存弹性变性能，满足恢复密封座初步形状的需要，恢复其记忆特性。
因为密封材料是PTFE四氟塑料，不可能做成与金属材料制造的弹簧一样，这就需要对结构设计的密封座进行试验，图3为一个2”球阀的唇式密封座在介质压差激励下发生挠曲变形的效率曲线，区域A便是初始状态密封座的最大变形能，B区域表示部分变形在密封力消除后的恢复，因为材料是塑料，不可能得到100%恢复，存在一个恢复的效率。这样，我们说这一结构设计，使密封座恢复了部分记忆特性，这就是介质压差激励下密封座挠性变形能自密封原理。这一结构的密封座，具备扭矩小以及较好的抗压差变化、抗温度变化、抗磨损的能力。从图中可以读出，对于一个2”球阀，唇式密封座的变形恢复能力可达到1.5毫米。
图3 球阀唇式密封座的效率曲线
把这一理念如何嫁接到蝶阀上来，是蝶阀设计工程师的技巧。在1960s，多种蝶阀的密封结构被提出来，如图4 所示，是XOMOX蝶阀密封结构，图5所示，是 Fisher蝶阀密封结构，图6所示，是Valtek蝶阀密封结构等，但是良莠皆有，用户需各自鉴别。
图4 XOMOX蝶阀阀座结构
图5 Fisher蝶阀阀座结构
图6 Valtek蝶阀阀座结构
2. 双偏心球面蝶板蝶阀
双偏心球面蝶板蝶阀是球阀结构原理嫁接在蝶阀中的一种创造性发展。蝶板可以看作是球体上切出来的一部分，密封面是一个球面。球面结构的蝶板只需采用双偏心轴即可，第一个偏心是密封线上的截面，偏离轴的回转中心；第二个偏心是轴的回转中心偏离流体通道的中心线。蝶板按顺时针方向旋转，使蝶板处于关闭位置，与密封座相配合；蝶板按逆时针方向旋转，使蝶板迅速脱离密封座，减轻扭矩，减低磨损。应该提出，这里的开与关仅指将蝶板处于开的位置或置于关闭位置，并未提供密封所必须的力，如图7所示。
图7 双偏心球面蝶板
为了保持蝶板在阀轴轴线方向上，不偏离流道中心线，在蝶板上、下应各设有一个隔离环。
蝶板置于关闭位置后，轻微的与密封座相接触，而后在介质压力的激励下，一个截面形状特殊的，具有挠性记忆特性的用PTFE制成的密封圈贴紧球面，得到一个气泡级的密封性能。密封圈与背面压板的设计，无论是轴在流道的上游侧，还是处于流道的下游侧，均可提供气泡级密封。
另外应该指出，球形的密封表面与挠性阀座相匹配的关闭位置，不是唯一的在某一关闭角度（如90°位置）上，事实有一个微小的密封区域。因此，双偏心球面蝶板关闭位置允许偏离一个很小的角度，同样可以得到密封。这就提高了密封圈的使用寿命。
作为一种比较，双偏心球面蝶板蝶阀，由于密封座设计成挠性具有记忆特性功能，如果与传统的中线蝶阀和闸阀作比较：其扭矩仅为中线蝶阀的1/3—1/2；其使用寿命从2000次增加到一百万次，与闸阀相比较，重量仅为闸阀的1/3；体积为闸阀的1/3，90°角行程代替长距离的直线行程，从而获得了广泛的应用并被命名为高性能蝶阀。
这种蝶阀的典型代表是美国Jamesbury公司，1967年进入市场的对夹式，花边法兰式800系列高性能蝶阀，其压力等级与通径范围：Class 150, DN 2-1/2”至60”；Class 300, DN 2-1/2”至36”；Class600, DN 2-1/2”至24”。
阀座材料可以选用多种材料，以适应不同工况的需要，如PTFE，填充PTFE，316或20号合金或Monel与PTFE复合，用于石油工业耐腐蚀介质中，聚乙烯用于放射性介质和烟草工业，PTFE，PCTFE则用于低温、LPG和LNG中。
高性能蝶阀可以用作调节阀，其固有的流量特性是等百分比流量特性，阀门的流量随开度按固有的百分比增加。由于蝶阀的固有等百分比流量特性接近线性，实际使用中能更精确地调节流量，使系统处于稳定，减少调节过程的变化。
综上所述，Jamesbury公司8000系列的高性能蝶阀具有下列优点：
1) 提供气泡级密封的截断功能；
2) 降低了操作扭矩，可选用较小的执行机构，降低配套成本；
3) 结构紧凑，轻型化；
4) 长的使用寿命，更适用于频繁启闭的工况，如吸附器的切换；
5) 90°回转角易于实现自动化；
6) 挠性密封技术的应用，扩大了温度的使用范围；
7) 双向密封；
8) 填料可采用弹簧自动加载（Living Load），满足微泄漏的要求；
9) 成本低廉。