三偏心蝶阀是由普通蝶阀为了应对工艺条件对其越来越高的要求而发展出来的一种高性能的蝶阀产品。

蝶阀自上世纪三十年代由美国发明以来，历经同心蝶阀、单偏心蝶阀、双偏心蝶阀、三偏心蝶阀等发展。

有密封要求的同心蝶阀（图 a）大多为衬胶蝶阀。由于其密封副中心与阀杆旋转中心重合，使得蝶板与阀体密封面始终处于挤压、刮擦的状态，导致启闭扭矩大、阀体密封面磨损快。

为了解决同心蝶阀的问题，将阀杆旋转中心从阀体密封面的轴向方向上偏移一个距离，减小了蝶板对阀体密封面的过度挤压，这就产生了单偏心蝶阀（图 b）。

但这一个偏心的设置对于密封副的挤压和刮擦效果不是理想。于是乎又做出了在此基础上将阀杆旋转中心在阀体密封面的径向方向上偏移一个距离的改进，这就是双偏心蝶阀（图 c）。

由于双偏心的设置，实现了阀门开启后蝶板可以快速脱离阀体密封面，大幅度的减弱了蝶板与阀体密封面的挤压和刮擦，减小了阀门启闭扭矩，提高了阀体密封面的使用寿命。

双偏心蝶阀由于上述的优点，使得蝶阀的密封副可以使用金属密封，从而提高蝶阀的温度使用范围。

但是因为双偏心蝶阀的密封对蝶板相对阀体密封面的关闭位置具有较高的要求，蝶板限位不当就会造成蝶阀关过，密封失效。

而且双偏心蝶阀的关闭过程也不是没有任何刮擦磨损的，只是相较上面几种磨损最小。为了彻底消除蝶板在启闭过程中对阀体密封面的刮擦磨损及有可能关过失效的不利影响，三偏心蝶阀（图 d）就应运而生了。

 三偏心蝶阀由于第三个偏心角度的设置，使得蝶阀在启闭过程中蝶板与阀体密封面没有任何接触，避免了刮擦磨损，最大程度减小了阀门的启闭扭矩。也是由于这个角度偏心的设置，使得蝶阀的密封副变为斜楔式的面密封，提高了蝶阀的耐压差性能。

三偏心蝶阀的设计

三偏心蝶阀的设计主要由四部分构成。首先是整体框架的设计，其次是各零部件材料的选取，然后是密封副结构的设计，最后是零部件强度、刚度的计算及校核。在这设计过程中，有很多方面是各种标准上有要求的项目，是必须考虑的内容。

三偏心蝶阀在设计中有不少国内外的产品标准可以参照应用。常用的如：

GB/T 12238-2008《法兰和对夹连接弹性密封蝶阀》

JB/T 7550-2007《空气分离设备用切换蝶阀》

JB/T 8527-2015《金属密封蝶阀》

JB/T 8692-2013《烟道蝶阀》

JB/T 12623-2016《液化天然气用蝶阀》

CB/T 4418-2016《船用超低温不锈钢蝶阀》

DL/T 746-2001《电站蝶阀选用导则》

HG/T 4176-2011《气动三偏心蝶阀通用技术条件》

ISO 10631-1994《普通用途的金属蝶阀》

API 609-2016《双法兰式对夹式和凸耳式蝶阀》

MSS SP-67-2002《蝶阀》

MSS SP-68-1997《偏心结构的高压蝶阀》

BS EN 593-2009《工业阀门 金属蝶阀》

      查看上述标准可以知道对蝶阀的整体要求及行业专用产品的特殊要求。比如在设计阀门流通能力的时候就要参考 API 609、MSS SP-68 标准附录 A（图 e）等考虑蝶板与管道的间隙，不能为了扩大阀门通道而影响阀门的正常启闭。

也不要低于标准规定的最小流道尺寸，免得损失阀门的流通能力。设计大口径三偏心蝶阀时要考虑安装方向及安装位置（是水平安装还是垂直安装将对计算操作扭矩有影响，见后述），自重较大的要设计支座或吊索。填料的设计根据压力和温度。

另外，关于阀体的结构尺寸及法兰连接标准都可以按照用户要求的标准执行，在此不再赘述。

三偏心蝶阀零部件材料的选取主要考虑介质的腐蚀性和材料的耐温性。可参考标准：

GB/T 34903.1-2017《石油、石化与天然气工业与油气开采相关介质接触的非金属材料 第 1 部分：热塑性塑料》

GB/T 34903.2-2017《石油、石化与天然气工业 与油气开采相关介质接触的非金属材料 第 2 部分：弹性体》

GB/T 34903.3-2017《石油、石化与天然气工业 与油气开采相关介质接触的非金属材料 第 3 部分：热固性树脂》

GB/T 34903.4-2017《石油、石化与天然气工业 与油气开采相关介质接触的非金属材料 第 4 部分：增强纤维》

GB/T 20972.1-2007《石油天然气工业 油气开采中用于含硫化氢环境的材料 第 1 部分 选择抗裂纹材料的一般原则》

GB-T 20972.2-2008《石油天然气工业 油气开采中用于含硫化氢环境的材料 第 2 部分 抗开裂碳钢、低合金钢和铸铁》

GB-T 20972.3-2008《石油天然气工业 油气开采中用于含硫化氢环境的材料 第 3 部分 抗开裂耐蚀合金和其他合金》

JB/T 5300-2008《工业用阀门材料 选用导则》

DL/T 439-2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》

DL/T 715-2000《火力发电厂金属材料选用导则》

SY-T 0599-2006《天然气地面设施抗硫化物应力开裂和抗应力腐蚀开裂的金属材料要求》

NACE MR0103-2005《腐蚀性石油炼制环境中抗硫化物应力开裂材料的选择》

NACE MR0175-2002《油田设备用抗硫化应力裂纹的金属材料》

材料的耐腐蚀性能可以查看上述国内外标准的要求，也可以查看阀门设计手册。要注意的是有些腐蚀性介质是跟温度有关系的，有些介质在常温腐蚀性不高，到了高温时腐蚀性会变得较快。

材料选取时对于温度，不论是金属材料还是非金属材料，都要参考材料的压力-温度额定值标准，避免材料超压使用，产生危险。压力-温度额定值标准主要可以参考下面的：

GB/T 12224-2015《钢制阀门 一般要求》

ASME B16.34-2013《法兰、螺纹和焊连接的阀门》

BS EN 12516-1:2014《工业阀门 壳体设计强度 第 1 篇 钢制阀门壳体的列表方法》

     三偏心蝶阀最大的特点就是启闭过程中无干涉，不会产生刮擦磨损，因此三个偏心的设计极为重要。其中第一偏心的设计跟阀体的结构尺寸和阀杆直径相关，第二个偏心和第三个偏心的设计都是启闭过程中不产生干涉的主要参数。

第二个偏心变大后可以使蝶板脱离阀体密封面的间隙变大，但是此种设计将会因此而产生一个较大的不平衡力矩，增大最终的操作扭矩，所以在满足蝶板迅速脱离阀体密封面的同时要尽量小一些。

第三个偏心角度如果太大则会使蝶板密封圈的受力不匀，影响耐高压差的性能；如果太小则容易产生干涉，发生刮擦磨损，影响密封性能及使用寿命。例如国际上著名的三偏心蝶阀制造商意大利的 Vanessa 就把第三偏心设计为 10°～12°。

     三偏心蝶阀的密封副常见的有金属硬密封（图 f）、非金属软密封（图 g）、多层次密封（图 h）、弹性密封（图 i）几类。

采用哪种密封副主要根据介质的特性和温度以及泄漏等级的要求。一般情况下温度不高于200℃，且介质洁净无冲刷，要求关闭严密的场合可以采用非金属软密封。

温度较高和介质有冲刷的场合采用金属硬密封。采用金属硬密封时需要对阀体密封面进行硬化处理，可以在阀体密封面上堆焊或喷涂硬质合金来提高密封面的表面硬度，提高耐磨性能。

和国内经常使用的堆焊司太立 6 号合金不同的是，意大利 Vanessa 公司经过多年的试验，认为除受流体侵蚀和空穴作用而产生的磨损外，喷焊司太立 21 号合金能更好的应对金属对金属的接触磨损，且在高温（+800℃）和超低温（-196℃）状态下取得了更好的应用效果。

 蝶板的强度计算

 阀杆的强度及刚度计算

阀杆的强度计算是先初定阀杆直径，根据计算的操作扭矩校核阀杆各薄弱断面的扭转强度，再与阀杆材料的许用扭转应力比对，低于许用应力即为合格。

阀杆垂直安装时的操作扭矩（N.mm）为：M=MM+MC+MT+Mf

式中 MM——蝶板与阀体密封面的摩擦扭矩（N.mm）；

 MC——阀杆与轴承间的摩擦扭矩（N.mm）；

 MT——阀杆与填料间的摩擦扭矩（N.mm）；

Mf——流体静压力在蝶板上由于第二偏心产生的不平衡力矩（N.mm）；

阀杆水平安装时的操作扭矩（N.mm）为：M=MM+MC+MT+Mf+MJ

式中 MJ——静水力矩（N.mm）

常用的阀杆断面有已下几种：

除了上面四种断面还有采用渐开线花键连接的阀杆，渐开线花键的断面可以按照圆形断面进行计算，阀杆直径取渐开线花键的分度圆直径。完成上述的操作扭矩及各种断面系数后按照标准规定的 1.5 倍安全系数校核阀杆的扭转强度（MPa）：τN=1.5M/WP (MPa)≤[τN]。

另外，在高温或者低温需要延长阀杆时，尤其是设计用于冷箱安装的超低温三偏心蝶阀时就更应该校核延长后阀杆的刚度。刚度的校核按照 MSS SP-134-2006《对低温阀门及其阀体-阀盖加长体的要求》标准要求的扭转角要小于 2°,公式为：

填料压板及紧固件强度计算（图 n）

除以上需要计算校核的主要零部件外，阀体底盖的强度可以按照 GB 150 标准中的平盖计算。

      使用温度对三偏心蝶阀的设计来说是一个重要的参数。不仅牵扯压力-温度额定值中对公称压力的选取，还牵扯零部件之间在使用温度影响下的间隙配合尺寸。如果不考虑使用温度对零部件配合尺寸的影响，那么不管是高温使用状态还是低温使用状态都有可能产生卡顿或抱死的问题，影响三偏心蝶阀的正常使用。

      在设计过程中计算使用温度影响下的配合间隙，高温时使用热膨胀系数计算配合零部件之间的间隙，低温时为了方便则使用低温收缩率的概念计算配合零部件之间的间隙。

高温时膨胀量（mm）公式为：Δd=d（t0-t1）a

式中 d——常温状态下的尺寸（mm）；

t0——使用温度（℃）；

t1——常温（℃），取 20℃；

a——热膨胀系数，按材料和温度查取。

低温时收缩量（mm）公式为：ΔL=LtL293

式中 Lt——常温状态下的尺寸（mm）；

L293——相对于 293K 的收缩率，按材料和温度查取。

结语

三偏心蝶阀的设计除了上述设计要点以外，还要考虑流体介质对阀门结构的影响。如过煤粉的要考虑阀杆防尘，过氧气的要考虑内件静电导出，有防火要求的要考虑软硬双密封。另外阀杆还要保证不受内压吹出。设计过程中要尽可能的结合现场实际工艺条件和使用工况考虑全面，这样才能让设计出来的产品安全可靠，交付用户放心使用。

     另外，在高温或者低温需要延长阀杆时，尤其是设计用于冷箱安装的超低温三偏心蝶阀时就更应该校核延长后阀杆的刚度。刚度的校核按照 MSS SP-134-2006《对低温阀门及其阀体-阀盖加长体的要求》标准要求的扭转角要小于 2°,公式为：