王志強(qiáng)

作者通聯(lián)：中國核電工程有限公司鄭州分公司核電工藝設(shè)計(jì)所 鄭州市中原東路96號(hào) 450052 E-mail：w.zhiqiang2003@163.com

一、不同類型蝶閥的結(jié)構(gòu)特征與密封原理

蝶閥在管道上起切斷和節(jié)流作用，蝶閥啟閉件是一個(gè)圓盤形的蝶板，在閥體內(nèi)繞其自身的軸線旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到啟閉或調(diào)節(jié)管道通流截面大小的目的。傳統(tǒng)上的蝶閥只能用于常溫、低壓和密封性要求不高的場合。隨著新工藝技術(shù)和材料工業(yè)的不斷發(fā)展，蝶閥幾乎可以取代大部分的傳統(tǒng)閥門，廣泛用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)蝶閥的結(jié)構(gòu)特征，可分為中心、單偏心、雙偏心和三偏心，其中新開發(fā)出來的三偏心蝶閥以其獨(dú)特的優(yōu)勢，目前在歐美先進(jìn)發(fā)達(dá)工業(yè)國家正在大力推廣和使用。

1.中心蝶閥

中心蝶閥的結(jié)構(gòu)特征為閥桿軸心、蝶板中心、本體中心在同一位置上。結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。但由于閥門開啟、關(guān)閉時(shí)蝶板與閥座始終處于擠壓、刮擦狀態(tài)，啟閉扭矩大、磨損快。為克服擠壓、刮擦、保證密封性能，閥座基本上采用橡膠或聚四氟乙烯等彈性材料，因而在使用上受到溫度的限制，使用溫度一般≤120℃。中心蝶閥的關(guān)閉是靠金屬蝶板邊緣擠壓橡膠密封閥座，從而使閥座中間的橡膠隆起，來實(shí)現(xiàn)密封的，故閥門在高壓下容易內(nèi)漏。由于其前后結(jié)構(gòu)對稱，因此中心蝶閥通常可以雙向使用。

2.單偏心蝶閥

為解決中心蝶閥蝶板與閥座的擠壓問題，由此產(chǎn)生了單偏心蝶閥，其結(jié)構(gòu)特征為閥桿軸心偏離了蝶板中心，從而使蝶板上下端不再成為回轉(zhuǎn)軸心，分散、減輕了蝶板上下端與閥座的過度擠壓，因此啟閉所需的扭矩較中心蝶閥小。但由于單偏心構(gòu)造在閥門的整個(gè)開關(guān)過程中，蝶板與閥座的刮擦現(xiàn)象并未消失，應(yīng)用不多。

單偏心蝶閥的回轉(zhuǎn)中心位于閥體的中心線上，閥板相對于密封截面偏離一個(gè)距離，因此適合軟密封。閥門關(guān)閉時(shí)，閥座與閥板密封面處在相對過盈的接觸狀態(tài)，要達(dá)到密封主要是靠壓緊密封圈，使其在周邊方向上膨脹，產(chǎn)生的密封力超過流體介質(zhì)作用在閥板上的力達(dá)到密封，因此這類閥門推薦單向使用。

3.雙偏心蝶閥

圖1 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)示意圖

在單偏心蝶閥的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改良成型的就是目前應(yīng)用最廣泛的雙偏心蝶閥，其結(jié)構(gòu)特征為閥桿軸心既偏離蝶板中心也偏離本體中心。第二次偏心即閥軸將蝶板分隔成一邊多一邊少的兩部分，這種偏心可使蝶板在開啟關(guān)閉過程中能迅速脫離閥座，大幅度地消除了蝶板與閥座不必要的擠壓、刮擦現(xiàn)象，減輕了開啟阻力距，磨損降低而閥座壽命提高。刮擦的大幅度降低，還使得雙偏心蝶閥可以采用金屬閥座，拓展了蝶閥在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

雙偏心蝶閥密封原理類似于單偏心蝶閥，屬位置密封構(gòu)造、即蝶板與閥座的密封面為線接觸、通過蝶板擠壓閥座所造成的彈性變形產(chǎn)生密封效果，故對關(guān)閉位置要求很高（特別是金屬閥座），承壓能力低，推薦單向使用。

4.三偏心蝶閥

三偏心蝶閥是在雙偏心的閥桿軸心位置偏心的同時(shí)，使蝶板密封面的圓錐型軸線偏斜于本體圓柱軸線，見圖1。閥門關(guān)閉時(shí)閥板由于偏心緣故往前推，閥板和閥座在關(guān)閉過程中不產(chǎn)生摩擦，閥板直接壓在閥座上，保證了閥門的使用壽命。

經(jīng)過第三次偏心后，蝶板的密封斷面不再是真圓，而是橢圓，其密封面形狀也因此而不對稱，一邊傾斜于本體中心線，另一邊則平行于本體中心線。第三次偏心的最大特點(diǎn)就是從根本上改變了密封構(gòu)造，不再是位置密封，而是扭力密封，不依靠閥座的彈性變形而是依靠閥座的接觸面壓來達(dá)到密封效果。因此，解決了金屬閥座零泄漏這一難題，并因接觸面壓與介質(zhì)壓力是成正比的，耐高壓高溫問題也迎刃而解。

根據(jù)上述偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)特征可以看出，偏心蝶閥是靠偏心擠壓和壓緊來實(shí)現(xiàn)密封的，適合單向密封。在蝶板后（即有閥桿軸的一側(cè)）加壓時(shí)，水壓增大了蝶板的關(guān)緊力；在蝶板前（即無閥桿軸的一側(cè)）加壓時(shí)，水壓減弱了蝶板的關(guān)緊力。因此，蝶板關(guān)閉后，蝶板后的承壓能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蝶板前的承壓能力。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，部分廠家已開發(fā)雙向密封的偏心蝶閥，所謂的雙向密封也是指反向密封的承壓能力提高而已，但仍然不及正向承壓能力，且成本較高。因此，偏心蝶閥推薦單向使用，在反向密封要求不嚴(yán)格時(shí)，可雙向使用。

二、核島蝶閥的選用

海南昌江核電廠1、2號(hào)機(jī)組（以下簡稱機(jī)組） 核島共使用700 臺(tái)蝶閥，所選蝶閥的設(shè)計(jì)壓力一般≤150Lb（磅/英寸2，約1.03MPa），設(shè)計(jì)溫度≤120℃，公稱通徑80～600mm?？紤]到偏心蝶閥優(yōu)良的性能及經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)業(yè)主要求，機(jī)組核島和常規(guī)島均使用雙偏心蝶閥，核島蝶閥由江蘇神通閥門有限公司供貨，為單向承壓偏心蝶閥，反向密封的承壓能力僅為正向密封承壓能力的60%，因此，這類閥門需單向密封。

機(jī)組的安全殼隔離閥是防止事故工況下安全殼內(nèi)的放射性氣體外逸設(shè)置的一類閥門，該閥門密封性要求比較高，壓力溫度也更高，啟閉扭矩小，啟閉時(shí)間短，因此選用了江蘇神通的單向密封的三偏心蝶閥。

考慮到系統(tǒng)中有些蝶閥關(guān)閉時(shí)需要雙向承壓，且反向壓力能達(dá)到正向壓力值，這類蝶閥如果選用偏心蝶閥，就需要設(shè)計(jì)壓力低于蝶閥的反向壓力，即蝶閥的承壓能力需大大提高，會(huì)增加成本。因此，這類壓力、溫度均不高的蝶閥，可以選用雙向承壓的中心蝶閥，但需增加易耗品的備件。

三、核島所用蝶閥的承壓方向

根據(jù)機(jī)組系統(tǒng)流程圖分析，核島所用蝶閥的承壓方向有雙向承壓和單向承壓兩種，單向承壓又有正向承壓及反向承壓之分。

1.單向承壓

正常情況下，流體是在壓力的作用下從管道的上游流向下游，閥門關(guān)閉情況，閥門的承壓方向和介質(zhì)流向一致，此種情況為閥門的承壓方向?yàn)檎虺袎?。但核島中也有相反的情況，閥門關(guān)閉狀況下，承壓方向?yàn)榻橘|(zhì)流向的反向，就是反向承壓。核島中蝶閥反向承壓的情況主要有以下幾種。

（1）并聯(lián)動(dòng)力設(shè)備的出口管線。核電站常用的動(dòng)力設(shè)備是離心泵，泵的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)在出口管線上產(chǎn)生較大的壓頭。考慮到在不停堆情況泵的檢修，多數(shù)情況下核電站泵的設(shè)計(jì)均為一用一備，或泵所在的工序?yàn)橐挥靡粋?，兩臺(tái)泵并聯(lián)設(shè)計(jì)，出口管線最后合并為一條管線，在合并前的泵出口管線上有時(shí)會(huì)安裝有蝶閥，見圖2。當(dāng)泵A 運(yùn)行泵B 停運(yùn)時(shí)，蝶閥A 出于開啟狀態(tài)，蝶閥B 出于關(guān)閉狀態(tài)，泵A的出口壓力通過流體介質(zhì)作用到蝶閥B的下游，使得蝶閥B 承受很大的反向壓力。同理，當(dāng)泵B 運(yùn)行泵A 停運(yùn)時(shí)，蝶閥A 也承受很大的反向壓力。這種情況在核電站核輔助系統(tǒng)、專設(shè)安全系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)，如輔助給水系統(tǒng)（ASG）。類似情況也可以延伸到其他動(dòng)力設(shè)備，如離心風(fēng)機(jī)，并聯(lián)風(fēng)機(jī)的出口管線上的蝶閥也會(huì)產(chǎn)生很大的反向壓力，如并聯(lián)風(fēng)機(jī)的出口管線上的蝶閥。

（2）非動(dòng)力設(shè)備的并聯(lián)管線。核電站一些非動(dòng)力設(shè)備也存在檢修，在保持系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，對這些非動(dòng)力設(shè)備也需要有備用的工序，因此也需要一用一備，如換熱器、過濾器、除鹽器。兩臺(tái)換熱器一用一備（圖3），并聯(lián)的兩個(gè)系列A、B管線中的流體介質(zhì)承受同樣的壓力，當(dāng)A 系列的換熱器運(yùn)行，B 系列的換熱器停運(yùn)，此時(shí)蝶閥A1和蝶閥A2開啟，蝶閥B1和蝶閥B2關(guān)閉，系統(tǒng)的壓力通過流體介質(zhì)傳送到蝶閥B2的下游，給蝶閥B2一個(gè)反向壓力。同理，當(dāng)B 系列的換熱器運(yùn)行，A 系列的換熱器停運(yùn)，將給蝶閥A2一個(gè)反向的壓力。但以上兩種情況下，蝶閥A1和蝶閥B1始終是承受介質(zhì)的正向壓力。這種情況在核輔助系統(tǒng)中也經(jīng)常出現(xiàn)，如設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）板式換熱器下游的蝶閥均承受較大的反向壓力。類似的道理，除了上述一備一用的情況外，并聯(lián)的兩組或多組非標(biāo)設(shè)備同時(shí)工作，以及非動(dòng)力設(shè)備及并聯(lián)的為其檢修用的旁通管線，都存在非動(dòng)力設(shè)備下游蝶閥承受反向壓力的情況。

（3）安全殼隔離閥所在管線。安全殼是核電站最后一道安全屏障。核電站發(fā)生事故工況時(shí)，核電站產(chǎn)生的放射性氣體封閉在安全殼內(nèi)，致使安全殼內(nèi)壓力很高，而同時(shí)安全殼隔離閥緊急響應(yīng)關(guān)閉。此時(shí)安全殼隔離閥所承受的壓力應(yīng)由安全殼內(nèi)指向殼外。如圖4，安全殼內(nèi)大氣管線正常運(yùn)行時(shí)為閉式循環(huán)，當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，安全殼隔離閥關(guān)閉，蝶閥B2承受正向壓力，蝶閥B1承受反向的壓力。如安全殼大氣監(jiān)測系統(tǒng)（ETY）的安全殼隔離閥。

圖2 并聯(lián)泵出口管線上的蝶閥

圖3 換熱器并聯(lián)管線上的蝶閥

圖4 安全殼隔離閥

2.雙向承壓

核島中比較常見的雙向承壓的蝶門布置在消防系統(tǒng)，如核島消防系統(tǒng)（JPI）、電氣廠房消防系統(tǒng)（JPL）等。核島的消防水由消防水泵提供動(dòng)力，經(jīng)過消防水分配系統(tǒng)（JPD）輸送到核島各個(gè)廠房，其中有的達(dá)到20m 以上房間中的濕式立管中，這些管道始終充滿著水，且維持一定的壓力，保證能隨時(shí)提供消防用水。當(dāng)?shù)y關(guān)閉時(shí)，閥門要受到消防水的正向壓力，同時(shí)閥門下游的消防管道內(nèi)封閉的水也將對閥門產(chǎn)生反向的壓力，這種情況下，安裝在此處的蝶閥需雙向承壓。

四、核島蝶閥的安裝方向

中心蝶閥結(jié)構(gòu)前后對稱，為雙向密封，閥體上標(biāo)注的箭頭為雙向，即“ ←→”，可以理解為介質(zhì)的流動(dòng)流向，也可以理解為介質(zhì)的壓力方向，因此可雙向安裝。

偏心蝶閥標(biāo)注在閥體上的箭頭所指的方向并不是管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)方向，而是表示當(dāng)偏心蝶閥密封關(guān)閉時(shí)管道內(nèi)介質(zhì)的壓力方向。因此，偏心蝶閥的安裝務(wù)必注意，若安裝不當(dāng)，會(huì)造成偏心蝶閥內(nèi)漏，破壞密封結(jié)構(gòu)。對于正向承壓的偏心蝶閥，安裝時(shí)根據(jù)閥門上的標(biāo)注的承壓方向安裝，使介質(zhì)的流向與閥門的承壓方向一致。對于反向承壓的偏心蝶閥，安裝時(shí)閥門要反裝，使閥門的承壓方向與介質(zhì)的流向相反。當(dāng)?shù)y關(guān)閉時(shí)，閥門上游不在承受介質(zhì)壓力，閥門下游所承受反向的壓力正好與閥門的承壓方向一致，使閥門達(dá)到很好的密封效果。

五、結(jié)論

通過對不同類型蝶閥結(jié)構(gòu)特征及密封原理的分析，可以看出對于雙向承壓的蝶閥，如果反向密封要求嚴(yán)格時(shí)，可以選用合適的中心蝶閥，安裝時(shí)雙向均可承壓。對于性能優(yōu)良的偏心蝶閥推薦單向密封，正向承壓時(shí)，按照閥體上箭頭方向安裝，使介質(zhì)流向和標(biāo)注的承壓方向一致；反向承壓時(shí)，按照閥體上箭頭方向反向安裝，使介質(zhì)流向和標(biāo)注的承壓方向相反，達(dá)到很好的密封效果。同理，對于核電站常規(guī)島偏心蝶閥的安裝，也可以按照文中所述判定閥門的安裝方向。