蝶閥設計與選用
1 概述
蝶閥是給水排水管路系統中的一個重要裝置隨著工業技術的進步，對蝶閥的結構及性能提出了不同的要求。因此，在設計及選用時應根據工況條件，對其類型、材料和連接形式等做出合理的選擇。
2 設計
2.1 結構
蝶閥的關閉件（蝶板）在介質中間，設計時應考慮其對流阻的影響。
- 關于大口徑蝶閥蝶板的結構，AWWA C504（美國給水工程協會標準）規定，蝶板不應有橫向筋，其厚度不得大于閥桿直徑的 2.25 倍。
- 蝶板的迎水面和出水面應呈流線型。
- 內部螺釘不能凸出在蝶板外面，以免增加迎水面積。
國外某公司生產的蝶閥為了減小流阻將蝶板做成鐵餅形，也有公司將小型蝶閥蝶板做得很薄，而水電管網上用的蝶閥在全開位置時蝶板有導流件，都是為了減小流阻。我國 JB/T 53171-1999 標準也將國際標準 ISO/TC 153/SC1GT8-37的流阻和流量系數（見《表 1》）列入其中，這說明流阻是一個重要指標。
《表 1》蝶閥的 C (Kv)、K (ξ) 值|
公稱通徑 DN mm |
公稱壓力 PN/MPa | |||
|---|---|---|---|---|
| 小于 16 | 20.25 | |||
| C (Kv) | K (ξ) | C (Kv) | K (ξ) | |
| 40 | 50 | 64 | 40 | 2.56 |
| 50 | 80 | 1.33 | 45 | 2.37 |
| 65 | 150 | 1.27 | 120 | 1.98 |
| 80 | 250 | 1.05 | 200 | 1.64 |
| 100 | 400 | 1.00 | 300 | 1.78 |
| 125 | 650 | 0.92 | 450 | 1.93 |
| 150 | 1000 | 0.81 | 800 | 1.26 |
| 200 | 1900 | 0.71 | 1500 | 1.14 |
| 250 | 3100 | 0365 | 2500 | 1.00 |
| 300 | 4700 | 0.59 | 3600 | 1.00 |
| 350 | 6700 | 0.53 | 5400 | 0.82 |
| 400 | 9000 | 0.51 | 7000 | 0.84 |
| 450 | 11500 | 0.50 | 9500 | 0.73 |
| 500 | 14000 | 0.50 | 12000 | 0.69 |
| 600 | 21000 | 0.47 | 18000 | 0.64 |
| 700 | 30000 | 0.43 | 25000 | 0.61 |
| 800 | 41000 | 0.39 | 35000 | 0.53 |
| 900 | 53000 | 0.37 | 46000 | 0.50 |
| 1000 | 67000 | 0.35 | 58000 | 0.48 |
| 1200 | 100000 | 0.35 | 87000 | 0.44 |
2.2 橡膠密封圈
有時橡膠蝶閥使用壽命較短，這與橡膠質量及密封面寬度有關。橡膠密封蝶閥的密封圈應選用優質的橡膠材料制造，在壓制成型時應遵守工藝規程，不能任意提高硫化溫度，縮短時間，否則容易造成密封圈老化和開裂。與橡膠密封圈配合的金屬密封面應有足夠的寬度，否則橡膠密封圈不易嵌入。另外，閥體及蝶板的形位公差、對稱度、精度、光潔度、密封圈的壓彈量等也影響橡膠密封圈的使用壽命。
2.3 剛度
剛度是蝶閥設計中的重要問題，它與蝶板、閥軸及連接等因素有關。
（1）閥軸尺寸 AWWA C504 中規定了閥軸尺寸。閥軸尺寸達不到要求，可能出現剛度不夠，反向密封泄漏，開啟力矩大等現象。軸的剛度與 1/EI 有關，也就是說要提高剛度減小變形問題應該從提高 EI 著手。E 是彈性模量，一般鋼材差別不大，選用好的材料對剛度影響不大。I 是慣性矩，與軸的截面尺寸有關。閥軸的尺寸一般按彎扭合成計算，它不僅與扭矩有關，而且主要與彎矩有關，尤其大口徑蝶閥彎矩比扭矩大得多。
（2）軸孔配合 AWWA C504的舊版本中規定，蝶閥軸是一根直通的整軸。1980 版本以后，提出可以做成兩段短軸。AWWA C504及 GB12238 規定，軸與孔的嵌入長度應為 1.5d。日本蝶閥軸向尺寸中閥體內邊緣與蝶板支承端之間的間隙（C 值）給出規定，一般與口徑大小有關，在 25~45mm 之間，也就是盡量減小軸支承間的距離（C 值），從而減小軸的彎矩和變形。
（3）蝶板結構 蝶板結構形式與剛度有直接關系，因此除平板形外多做成鍋形或桁架形。總之是為了增大斷面的慣性矩，以提高剛度。
（4）閥體結構 大口徑蝶閥閥體設計中也存在剛度問題。一般有圈筋和橫筋，實際上橫筋只是增加穩定性，不宜太多，主要是圈筋。如果能加∩形筋則對剛度更有利，但存在工藝性差的問題。
2.4 自潤滑軸承
蝶板上所受介質壓力大部或全部（反向）是通過軸傳遞到軸承上去的，因此軸承起到非常重要的作用。國外蝶閥有的轉動很輕巧，小口徑閥門一個手指都能轉動，而國產蝶閥有的轉動卻很沉重，這除了與同軸度、對稱度、加工精度、光潔度和填料的質量有關之外，很重要的一個因素就是軸套材料的潤滑性。AWWA C504 標準提出，閥體中安裝的軸套或軸承應屬于自潤滑材料，軸套存在減磨潤滑問題，不允許銹蝕。沒有軸套，即使閥軸是不銹鋼，閥體也有銹蝕及膠合粘著問題。采用軸套還可以增加剛性。
2.5 軸與蝶板的連接
小口徑蝶閥的軸與蝶板采用鍵或花鍵連接為宜，也可以采用多邊形軸連接或銷釘連接，大口徑蝶閥的軸與蝶板多采用鍵或錐銷等連接。目前軸與蝶板采用銷連接的比較多。在惡劣的工況條件下連接銷有損壞現象，這主要是由于制造的原因，其中吻合精度不好，銷子尺寸選擇不合適，銷子硬度不夠或采用材料不合適等應引起注意。大型蝶閥的軸與蝶板可采用特殊的方法進行連接。
2.6 結構長度
蝶閥的結構長度向短系列發展，但這樣的做法要慎重。因為結構長度太短對強度有影響。國際標準對法蘭蝶閥短系列結構長度做出了規定，但是壓力較高的閥門結構長度不宜改短，否則會出問題，尤其是鑄鐵等脆性材料。
3 選用
3.1 類型
蝶閥有單偏心、斜板式、中線型、雙偏心和三偏心等不同結構。介質壓力通過蝶板作用在閥軸及軸承上，因此在高壓小口徑流阻很大時，其軸徑和蝶板厚度都相應增加，如果采用閘閥和球閥或截止閥，從密封及流阻等方面分析比采用蝶閥合適。
近幾年來，在水系統中軟密封閘閥的出現改善了閘閥容易沉淀泥沙的缺點，其流阻比較小，可以在線維修，用于中小口徑非常合適，因此逐漸得到了應用。
3.2 密封副
金屬密封蝶閥的主要優點是密封可靠、壽命長、耐高溫，不易損壞和撕裂，承壓能力高。因此近些年來應用較多，尤其用于工程系統的關鍵部位。橡膠軟密封蝶閥如果設計制造優良可以得到很好的密封，而且大口徑容易做到在線換圈。但是橡膠存在老化問題，只能用于溫度不高的工況條件下，因此廣泛應用在自來水及供水系統。
國外金屬密封蝶閥也用于火電廠的泵站、凝汽器、抽汽系統及換熱系統，核電站還用于壓力殼隔離、噴淋系統及鹽水等，石油精練系統中的儲油隔離、蒸汽供給閥、脫硫系統和尾氣處理、熱裂解及催化單元中。還有石油化工廠、深冷、漿液和造紙等系統。
對于中溫中壓工況選用金屬密封蝶閥較好。對于要求閥門可靠性高，壽命長，長期不宜更換的地方，也應該選用金屬密封蝶閥。
對用于常溫水的閥門，如果不是要求很高，長期不更換或更換不方便的地方，則宜采用軟密封結構的蝶閥。如果橡膠質量能夠保證，水用大口徑蝶閥仍應以橡膠閥座蝶閥為主。
4 結語
新工藝及新材料的不斷出現，將提高蝶閥的結構性能，擴大蝶閥的使用范圍，并對蝶閥的設計和選用提出更新的要求。
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