【水暖阀门网讯】理论上，物体的热膨胀是线性的，和物体截面形状没有关系，但实际情况恰好相反——热胀冷缩的程度并没有表现出线性，而是根据物体局部截面形状的不同而不同。对于深冷工况常用的各种材质而言，这种现象非常明显。

“这样的现象会对工业阀门设计产生实质性影响。以三偏心蝶阀(TOSV)为例，它在深冷工况中会发生泄漏。过去很长一段时间内，导致泄漏的原因一直是个疑问。三偏心蝶阀的阀座呈椭圆形，而阀体轮廓却是圆形的。此外在靠近阀轴的区域，阀体壁明显较厚，而在垂直于阀轴的区域，阀体壁比较薄（3点和6点钟方向）。阀蝶密封圈的圆周也呈椭圆形，但是中间的孔是圆形。这就意味着密封圈不同部位的壁厚差别极大——阀体壁最厚的部位密封圈最薄，阀体壁最薄的部位密封圈最厚。由于这些差别的存在，密封圈各个部位的热胀冷缩系数和绝对值都不相同。这种表现在深冷工况中最明显，并会导致密封性能下降。”

越来越低的温度

左图中的蓝色表示圆形孔，黑色代表外形轮廓。显然圆孔周围不同区域的壁厚差别极大。理论上，温度上升后圆孔直径会变大，但形状会保持不变。现实中也确实如此。根据相同的理论，温度下降后圆孔直径会变小，形状也保持不变。但在阀门中的实际情况并非如此，原先圆形的孔随着温度下降变得不太规则。当然这不是什么新发现，早在十多年前，Dr. Gaida研究所就分析过这种现象。对三偏心蝶阀而言，这种现象对它的影响很大，因为阀座周围不同区域的阀体壁厚差别极大。不同的壁厚会导致阀门在深冷下严重泄漏。是因为有这样的缺陷，催生了世界上第一台四偏心蝶阀——也是第一台深冷中也能保持零泄漏的阀门。2008年，Dr. Gaida研究所获得了这款阀门的专利权。

材料评估

为使金属阀座的设计具有更大灵活性，Dr. Gaida研究所对不同材质进行了详细的试验和评估，总共涵盖了三百多个不同材质和形状的试验样本，都是阀体最为常用的材质。此外，样本的制备工艺还分别采用了轧制、铸造、锻造，以便分析不同工艺对材质性能的影响。

样本尺寸分别有10mm、15mm、25mm、50mm、74mm、150mm和200mm。样本的形状各异，以便分析不同形状样本在发生机械延伸时，泊松系数和热胀冷缩是否相似。

首先在常温下测量样本尺寸。然后用液氮冷却样本。事实证明，对温度仅有-196℃的金属样本进行测量的难度，远超出之前的想象。

热膨胀系数呈非线性

样本被冷却后，立即从液氮中取出。此时空气中的湿气会立即在样本表面凝结成冰霜。这样的情况导致了无法准确测量样本尺寸。作为对策，样本被从液氮中取出后，会停留在一个温度仅略高于液氮的容器内。沸腾中的液氮导致容器保持着100%的氮气气氛，即不存在任何湿气，样本表面也就不再凝结任何冰霜。

所有试验样本的热膨胀系数均呈非线性。其中碳钢样本（GSC-25（P265GH））的非线性特征最为明显：样本尺寸15mm，膨胀系数5.87；样本尺寸150mm，膨胀系数14.56。这两种尺寸分别都是金属阀座比较普遍的壁厚尺寸。两者的热膨胀系数几乎相差了150%。将样本换成常用于深冷工况的奥氏体钢CF8M(1.4408)，热膨胀系数同样也有差别：样本尺寸15mm，膨胀系数8.95；样本尺寸150mm，膨胀系数12.27。两种尺寸样本分别得到的数据相差37%。

设计更灵活

试验发现，材料的热膨胀系数与其尺寸呈渐近线关系。材料尺寸越大，热膨胀系数越接近一般定义的数值。

发现了材料在深冷环境中热膨胀系数呈非线性之后，Dr. Gaida研究所于2007年发明了四偏心蝶阀，并于2008年注册了专利。这种蝶阀的阀座和密封圈都是标准圆形，围绕阀座及密封圈的阀体壁厚完全一致，因此避免了部件不同部位收缩程度不同的问题。

通过研究报告中详细的数据可以看出，设计师对金属阀门（蝶阀）的阀座区域采用了非常灵活的设计。这是因为基于上述研究，发现阀门各个部位的收缩情况不相同，因此需要结合英科耐尔O形密封圈的弹性形变情况，对原本各部位壁厚不一致的阀座设计进行修改，以便使阀门在深冷工况下保持绝对密闭。

当然， 阀座还可以有更加复杂的外形，因此，世界上第一台五偏心蝶阀V-AXX®问世了。它的密封面并非呈锥形，和三偏心、四偏心蝶阀的设计相比，这样可以降低摩擦系数和扭矩，并减小偏心距。（来源：阀门世界亚洲  作者：Gregor Gaida博士）