金屬平面密封蝶閥的開(kāi)發(fā)

http://www.zjgsdgs.cn 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)用型專利(專利號(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)，主軸與杠桿用錐銷緊固，繞O點(diǎn)按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，杠桿用帶孔銷帶動(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。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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