金屬平面密封蝶閥的開發(fā)
1 前言
近幾年來,隨著現代工業(yè)的發(fā)展,蝶閥的使用已從低壓供水擴展到溫度高于538℃,低到-184℃的介質,壓力也從低到高,廣泛用于空分、化工、冶金、污水處理等領域。而且口徑越來越大,性能要求更高,使用壽命要求更長。當前,國內外生產的蝶閥大多數為橡膠密封和塑料密封,容易磨損和老化,達不到設備連續(xù)運行周期。以空分為例,當今以深冷分離原理為主的空分設備,其流程都采用分子篩預凈化流程,工作壓力為0.5~0.9MPa,介質溫度的變化范圍在10~200℃,其切換閥使用溫差大,口徑大,切換頻繁,閥門橡膠密封圈容易磨損和老化,而且更換也比較困難。針對這些情況,我公司開發(fā)研制了連桿增力式金屬平面密封氣動蝶閥系列。這種新型蝶閥已獲得國家實用型專利(專利號為:ZL 97 2 24037.3)。
2 金屬平面密封氣動蝶閥的特點
(1)采用杠桿式啟閉結構,使密封副間相對滑動很小,減小相對磨損。
(2)執(zhí)行機構采用連桿增力機構。這種機構在蝶閥處于關閉狀態(tài)時,驅動裝置能輸出最大扭矩,且具有自鎖性能,工作安全可靠。
(3)采用金屬平面密封結構,具有很強的耐腐蝕性和耐磨性,適用于高溫環(huán)境,使用壽命長。
(4)關鍵部件進行了優(yōu)化設計,使總的閥門啟閉次數可以達到1×106次以上。
(5)該閥的控制系統采用非接觸式電磁舌簧開關,不受環(huán)境條件限制,而且信號靈敏,準確性高,可以實現遠程遙控,氣動控制和自動控制,與設備配套時也可以實現無人操作。
3 結構及工作原理
3.1 杠桿式啟閉結構
杠桿式啟閉結構如圖1所示。當蝶閥關閉時,主軸與杠桿用錐銷緊固,繞O點按逆時針旋轉,杠桿用帶孔銷帶動蝶板AB,由壓縮彈簧推動蝶板固定在杠桿的支點N上,隨主軸杠桿的轉動而轉動。當蝶板上端B與閥體密封面全部接觸而達到密封。開啟過程正好相反。在啟閉過程中,密封副間相對滑動很小,減小相對磨損。在關閉狀態(tài)為軸向壓力密封,改變傳統的外力擠壓密封。
3.2 連桿增力式執(zhí)行機構
連桿增力式執(zhí)行機構如圖2所示,活塞在氣源壓力的作用下向右移動,活塞桿帶動力臂于箱體內滑動,連桿牽動搖桿順時針轉動,輸出扭矩。而連桿與搖桿長度(h)相同,均等于箱體槽心至輸出中心的距離。箱體槽壁承受側向推力F,分力P牽動搖桿轉動,根據力的分析可知:
P=Q/cosα α=sin-1(1-sinβ)
M扭=Phcos(90-α-β)=Qhsin(α+β)/cos(α+β)
由上式可知,β角減小,α角增大,M扭值隨之增加。當β=0°、α=90°時(蝶閥處于關閉狀態(tài)),驅動裝置輸出最大扭矩,而在啟閉過程中的扭矩較小。此特性在曲線上恰好包容了蝶閥操作扭矩曲線,滿足蝶閥在關閉或開啟狀態(tài)時所需的密封力矩。
3 平面密封結構
過去的氣動蝶閥密封副一般采用球面密封,密封壓力是徑向擠壓作用力,其密封過盈量不能任意調整,密封性能取決于密封材料的過盈量,因此,設計中選擇密封材料及其過盈量就顯得十分重要。在工作中,特別是在分子篩預凈化流程中,切換閥工作在10~200℃范圍內,采用橡膠密封圈時,橡膠的線性膨脹系數很大,受溫度變化影響大,過盈量很難準確確定。如果過盈量大,不但增大摩擦力,而且時常出現“啃邊”和“翻舌”現象,使密封失效,過盈量小則出現泄漏。即使過盈量選擇合理,而這種閥門切換頻繁,經過一段時間運行后還會因磨損而失效。假如采用非橡膠密封材料,據目前資料所知,它們的彈性變形很小,徑向密封過盈很難控制,制造相當復雜,成本很高。同時對橡膠密封材料來說,溫度的不斷變化,使橡膠密封圈因溫度疲勞破壞而造成過早老化,對于大型空分設備配備的大口徑氣動蝶閥,更換密封圈就十分困難。
新型密封氣動蝶閥則采用金屬平面密封結構,閥瓣作為非易損件采用不銹鋼堆焊硬質合金,閥座密封環(huán)采用銅基合金或不銹鋼堆焊代鈷合金,它們具有很強的耐腐蝕和耐磨性,使用溫度范圍大,在-40~300℃之間可以長期使用,因此,使用壽命比橡膠密封大得多。
由于閥板的運動機構采用杠桿形式,當閥板關閉后,閥板與閥座成為平面接觸密封,其后杠桿相當于凸輪機構,如果主軸繼續(xù)旋轉,那么閥板向前繼續(xù)平移達到力的平衡,有工作介質壓力時,還能實現自密封,保證了密封可靠性。當整個密封面磨損后,還具有自動補償密封磨損量的特性,從而延長了使用壽命。
由于該閥門采用合理的結構,其使用性能比國內其它閥門好,已經能夠取代國外同類產品。
4 試驗結果及應用情況
我公司于1997年4月首先研制成功PN1.0MPa DN300氣動蝶閥,并進行了性能指標試驗和模擬現場工況試驗,結果如下:
4.1 性能指標試驗
氣源壓力:0.4MPa;管道壓力:0.95MPa;介質溫度:常溫;開啟次數:1500次(要求1000次/a);動作啟閉時間:10s。
4.2 模擬現場工況試驗
氣源壓力:0.4MPa;管道壓力:0.7MPa;介質溫度:150℃;開啟次數:8000次(要求1000次/a);動作啟閉時間:10s;泄漏量:8000次試運行后,作氣密性試驗其泄漏量為零。
經過試驗后,對各個部件進行檢查,主密封面無磨損痕跡,執(zhí)行機構的運動部件及閥內運動部件完好無損,且整體動作靈活,運行可靠。目前,這種閥門已經系列化,可以與大中小型空分設備配套使用。
此后,我們又開發(fā)出PN1.0MPa DN400蝶閥,于1997年12月在長治鋼廠六千空分設備上使用,性能良好,深受用戶好評。
為了適應小型高純氮設備流程需要,我們又組織開發(fā)了PN1.6MPa DN150和DN200蝶閥,也被用戶選用。
針對我公司為天津鐵廠提供1.5萬大型空分設備,1997年10月又組織開發(fā)了PN1.0MPa DN500和DN600蝶閥,于1998年6月20日在天鐵1.5萬空分設備上正式使用,至今運行良好,得到用戶的依賴。最近,魯南化工廠1.6萬空分設備所配套DN500 DN600閥門也將開始運行。它的成功應用標志著高壓力、大口徑的金屬硬密封蝶閥長期依賴進口的歷史已經結束,同時也填補了國內大口徑金屬硬密封蝶閥的應用空白。
通過實際應用,各項設計指標均達到要求,滿足空分設備工藝流程的要求,該產品已經供給用戶使用。目前,我公司這種閥門主要是為空分設備配套,自1997年投產以來,已經生產DN200~DN600不同規(guī)格閥門100多臺,供應國內市場,另外還出口到印尼20多臺也在運行當中。
金屬平面密封氣動蝶閥不僅適用于空分行業(yè),也適用于化工、冶金、污水處理、煤氣、石油及其它天燃氣管道輸送行業(yè)。尤其是天燃氣輸送管道所用閥門為大口徑蝶閥,采用這種氣動閥門既能滿足密封性能的要求,又能防火保證輸送的安全性,而且中間維修少,價格低,是最理想的配套產品。由此可見,金屬平面密封氣動蝶閥今后必將取代國內外同類產品,成為市場主導產品,具有廣闊的發(fā)展前景。