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金屬平面密封蝶閥的開(kāi)發(fā)

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

  •  前言

      近幾年來(lái),隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,蝶閥的使用已從低壓供水?dāng)U展到溫度高于538℃,低到-184℃的介質(zhì),壓力也從低到高,廣泛用于空分、化工、冶金、污水處理等領(lǐng)域。而且口徑越來(lái)越大,性能要求更高,使用壽命要求更長(zhǎng)。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的蝶閥大多數(shù)為橡膠密封和塑料密封,容易磨損和老化,達(dá)不到設(shè)備連續(xù)運(yùn)行周期。以空分為例,當(dāng)今以深冷分離原理為主的空分設(shè)備,其流程都采用分子篩預(yù)凈化流程,工作壓力為0.5~0.9MPa,介質(zhì)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(mén)橡膠密封圈容易磨損和老化,而且更換也比較困難。針對(duì)這些情況,我公司開(kāi)發(fā)研制了連桿增力式金屬平面密封氣動(dòng)蝶閥系列。這種新型蝶閥已獲得國(guó)家實(shí)用型專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)為:ZL 97 2 24037.3)。

      2 金屬平面密封氣動(dòng)蝶閥的特點(diǎn)

      (1)采用杠桿式啟閉結(jié)構(gòu),使密封副間相對(duì)滑動(dòng)很小,減小相對(duì)磨損。

      (2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用連桿增力機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)在蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu),具有很強(qiáng)的耐腐蝕性和耐磨性,適用于高溫環(huán)境,使用壽命長(zhǎng)。

      (4)關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),使總的閥門(mén)啟閉次數(shù)可以達(dá)到1×106次以上。

      (5)該閥的控制系統(tǒng)采用非接觸式電磁舌簧開(kāi)關(guān),不受環(huán)境條件限制,而且信號(hào)靈敏,準(zhǔn)確性高,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控,氣動(dòng)控制和自動(dòng)控制,與設(shè)備配套時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作。

      3 結(jié)構(gòu)及工作原理

      3.1 杠桿式啟閉結(jié)構(gòu)

      杠桿式啟閉結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)?shù)y關(guān)閉時(shí),主軸與杠桿用錐銷(xiāo)緊固,繞O點(diǎn)按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),杠桿用帶孔銷(xiāo)帶動(dòng)蝶板AB,由壓縮彈簧推動(dòng)蝶板固定在杠桿的支點(diǎn)N上,隨主軸杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)迳隙薆與閥體密封面全部接觸而達(dá)到密封。開(kāi)啟過(guò)程正好相反。在啟閉過(guò)程中,密封副間相對(duì)滑動(dòng)很小,減小相對(duì)磨損。在關(guān)閉狀態(tài)為軸向壓力密封,改變傳統(tǒng)的外力擠壓密封。

      3.2 連桿增力式執(zhí)行機(jī)構(gòu)

      連桿增力式執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖2所示,活塞在氣源壓力的作用下向右移動(dòng),活塞桿帶動(dòng)力臂于箱體內(nèi)滑動(dòng),連桿牽動(dòng)搖桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),輸出扭矩。而連桿與搖桿長(zhǎng)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(cè)向推力F,分力P牽動(dòng)搖桿轉(zhuǎn)動(dòng),根據(jù)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(dāng)β=0°、α=90°時(shí)(蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)),驅(qū)動(dòng)裝置輸出最大扭矩,而在啟閉過(guò)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(guān)閉或開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)所需的密封力矩。
      3 平面密封結(jié)構(gòu)

      過(guò)去的氣動(dòng)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(guò)盈量不能任意調(diào)整,密封性能取決于密封材料的過(guò)盈量,因此,設(shè)計(jì)中選擇密封材料及其過(guò)盈量就顯得十分重要。在工作中,特別是在分子篩預(yù)凈化流程中,切換閥工作在10~200℃范圍內(nèi),采用橡膠密封圈時(shí),橡膠的線性膨脹系數(shù)很大,受溫度變化影響大,過(guò)盈量很難準(zhǔn)確確定。如果過(guò)盈量大,不但增大摩擦力,而且時(shí)常出現(xiàn)“啃邊”和“翻舌”現(xiàn)象,使密封失效,過(guò)盈量小則出現(xiàn)泄漏。即使過(guò)盈量選擇合理,而這種閥門(mén)切換頻繁,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后還會(huì)因磨損而失效。假如采用非橡膠密封材料,據(jù)目前資料所知,它們的彈性變形很小,徑向密封過(guò)盈很難控制,制造相當(dāng)復(fù)雜,成本很高。同時(shí)對(duì)橡膠密封材料來(lái)說(shuō),溫度的不斷變化,使橡膠密封圈因溫度疲勞破壞而造成過(guò)早老化,對(duì)于大型空分設(shè)備配備的大口徑氣動(dòng)蝶閥,更換密封圈就十分困難。

      新型密封氣動(dòng)蝶閥則采用金屬平面密封結(jié)構(gòu),閥瓣作為非易損件采用不銹鋼堆焊硬質(zhì)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(qiáng)的耐腐蝕和耐磨性,使用溫度范圍大,在-40~300℃之間可以長(zhǎng)期使用,因此,使用壽命比橡膠密封大得多。

      由于閥板的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用杠桿形式,當(dāng)閥板關(guān)閉后,閥板與閥座成為平面接觸密封,其后杠桿相當(dāng)于凸輪機(jī)構(gòu),如果主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn),那么閥板向前繼續(xù)平移達(dá)到力的平衡,有工作介質(zhì)壓力時(shí),還能實(shí)現(xiàn)自密封,保證了密封可靠性。當(dāng)整個(gè)密封面磨損后,還具有自動(dòng)補(bǔ)償密封磨損量的特性,從而延長(zhǎng)了使用壽命。

      由于該閥門(mén)采用合理的結(jié)構(gòu),其使用性能比國(guó)內(nèi)其它閥門(mén)好,已經(jīng)能夠取代國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。

      4 試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用情況

      我公司于1997年4月首先研制成功PN1.0MPa DN300氣動(dòng)蝶閥,并進(jìn)行了性能指標(biāo)試驗(yàn)和模擬現(xiàn)場(chǎng)工況試驗(yàn),結(jié)果如下:

      4.1 性能指標(biāo)試驗(yàn)

      氣源壓力:0.4MPa;管道壓力:0.95MPa;介質(zhì)溫度:常溫;開(kāi)啟次數(shù):1500次(要求1000次/a);動(dòng)作啟閉時(shí)間:10s。

      4.2 模擬現(xiàn)場(chǎng)工況試驗(yàn)

      氣源壓力:0.4MPa;管道壓力:0.7MPa;介質(zhì)溫度:150℃;開(kāi)啟次數(shù):8000次(要求1000次/a);動(dòng)作啟閉時(shí)間:10s;泄漏量:8000次試運(yùn)行后,作氣密性試驗(yàn)其泄漏量為零。

      經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后,對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行檢查,主密封面無(wú)磨損痕跡,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件及閥內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件完好無(wú)損,且整體動(dòng)作靈活,運(yùn)行可靠。目前,這種閥門(mén)已經(jīng)系列化,可以與大中小型空分設(shè)備配套使用。
      此后,我們又開(kāi)發(fā)出PN1.0MPa DN400蝶閥,于1997年12月在長(zhǎng)治鋼廠六千空分設(shè)備上使用,性能良好,深受用戶好評(píng)。

      為了適應(yīng)小型高純氮設(shè)備流程需要,我們又組織開(kāi)發(fā)了PN1.6MPa DN150和DN200蝶閥,也被用戶選用。

      針對(duì)我公司為天津鐵廠提供1.5萬(wàn)大型空分設(shè)備,1997年10月又組織開(kāi)發(fā)了PN1.0MPa DN500和DN600蝶閥,于1998年6月20日在天鐵1.5萬(wàn)空分設(shè)備上正式使用,至今運(yùn)行良好,得到用戶的依賴(lài)。最近,魯南化工廠1.6萬(wàn)空分設(shè)備所配套DN500 DN600閥門(mén)也將開(kāi)始運(yùn)行。它的成功應(yīng)用標(biāo)志著高壓力、大口徑的金屬硬密封蝶閥長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的歷史已經(jīng)結(jié)束,同時(shí)也填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大口徑金屬硬密封蝶閥的應(yīng)用空白。

      通過(guò)實(shí)際應(yīng)用,各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均達(dá)到要求,滿足空分設(shè)備工藝流程的要求,該產(chǎn)品已經(jīng)供給用戶使用。目前,我公司這種閥門(mén)主要是為空分設(shè)備配套,自1997年投產(chǎn)以來(lái),已經(jīng)生產(chǎn)DN200~DN600不同規(guī)格閥門(mén)100多臺(tái),供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng),另外還出口到印尼20多臺(tái)也在運(yùn)行當(dāng)中。

      金屬平面密封氣動(dòng)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?xì)夤艿垒斔托袠I(yè)。尤其是天燃?xì)廨斔凸艿浪?strong>閥門(mén)為大口徑蝶閥,采用這種氣動(dòng)閥門(mén)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(jià)格低,是最理想的配套產(chǎn)品。由此可見(jiàn),金屬平面密封氣動(dòng)蝶閥今后必將取代國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品,成為市場(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品,具有廣闊的發(fā)展前景。

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