高密封管道切換圓頂閥的研制

肖翰 蕭亞兵

摘 ? 要：本圓頂閥綜合考慮了兩個(gè)因素，從結(jié)構(gòu)和材料的耐磨性上進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，專用于電廠粉煤灰氣力輸送系統(tǒng)，有效地防止輸送空氣反串，減少閥內(nèi)密封面的磨損。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該種柔性密封結(jié)構(gòu)閥門使用壽命以及密封效果遠(yuǎn)好于普通球閥，有效地解決了氣力流體系統(tǒng)工況中閥門因溫度引起的密封圈變形、密封不可靠和使用壽命短等一系列問題。

關(guān)鍵詞：密封結(jié)構(gòu) ?密封材料 ?研制

中圖分類號(hào)：TH134 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（b）-0068-03

在圓頂閥的研發(fā)設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)一些大專院校和相關(guān)企業(yè)，以及其它一些科研單位在對(duì)國(guó)內(nèi)一些主要電廠所使用的這種閥門的種類、失效方式等進(jìn)行廣泛調(diào)研、對(duì)具有代表性的閥門進(jìn)行解剖分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的研發(fā)工作。當(dāng)前，國(guó)外多個(gè)知名大公司具有生產(chǎn)此類閥門的技術(shù)能力，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)市場(chǎng)的高額占有率，主要有英國(guó)的Clyde，但由于國(guó)內(nèi)煤質(zhì)的特殊狀況，使用效果不佳，壽命低?？煽啃愿撸陀眯院?，維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)，將是未來(lái)氣動(dòng)圓頂閥設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。

1 ?主要研究?jī)?nèi)容

研究1：產(chǎn)品采用組合式密封結(jié)構(gòu)，提高了閥門的密封性能。

研究2：采用改性橡膠材料密封圈，密封圈可迅速回彈恢復(fù)形狀，降低與閥門的摩擦面積，提高密封圈的使用壽命。

研究3：提高閥體流道表面、密封面的耐磨、抗沖蝕性能、抗高溫氧化性。

研究4：設(shè)計(jì)了一種專用組合夾具，只需一次裝夾就可以完成幾道工序的加工，減少了積累誤差，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

2 ?技術(shù)解決方案

2.1 組合式密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密封性是燃煤電廠輸灰閥門好與壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。為了防止被阻流的介質(zhì)沿著閥門推拉桿進(jìn)入氣缸，造成氣缸內(nèi)部的腐蝕及堵塞，從而影響閥門的正常使用，因此，必須做到良好的密封。

通常，輸灰閥門的密封由密封圈與閥門推拉桿過盈配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種密封方法在高溫、高壓介質(zhì)的工況下，很容易造成介質(zhì)泄漏而導(dǎo)致密封失效，而且需要經(jīng)常更換密封圈，使得閥門的維護(hù)成本上升，這些問題一直困擾著使用者。

組合式密封結(jié)構(gòu)見圖1，其特征在于包括填料壓板（1）填料壓套（2）;四層盤根（3）;防塵圈（4）;聯(lián)接件（5）;密封圈（6）;彈簧（7）;中間環(huán)（8）;閥座（9）;閥門推拉桿（10）。中間環(huán)（8）與聯(lián)接件（5）螺栓連接，聯(lián)接件（5）與閥門推拉桿（10）間隙配合，閥座（9）與中間環(huán)（8）螺栓連接，閥座（9）與防塵圈（4）螺栓連接，四層盤根（3）與閥門推拉桿（10）過盈配合，填料壓套（2）與閥門推拉桿（10）間隙配合，填料壓板（1）與閥門推拉桿（10）間隙配合，彈簧（7）空套在閥門推拉桿（10）上，密封圈（6）與閥門推拉桿（10）過盈配合。

結(jié)構(gòu)可以保證用于密封的盤根不僅強(qiáng)度高，耐熱耐腐蝕，抗沖刷，且摩擦系數(shù)低，自潤(rùn)滑性能好，而且具有很高的柔性、回彈能力和浮動(dòng)性能，柔性石墨和聚四氟乙烯的混合填料，顯著提高了盤根的抗剪切、抗拉性能，且有利于產(chǎn)生迷宮效應(yīng)。四層盤根與兩次密封圈的組合使用，大幅提高了閥門的密封性能，氣缸腐蝕及卡死現(xiàn)象大大減少，提高了使用壽命，節(jié)省了維護(hù)成本。

2.2 改性橡膠密封圈材料

為了保證氣動(dòng)圓頂閥的正常工作，既能實(shí)現(xiàn)良好的密封性，又能減少閥芯與橡膠密封圈之間的不必要磨損，必須設(shè)計(jì)有效合理結(jié)構(gòu)和裝置來(lái)完成自動(dòng)控制功能。氣動(dòng)圓頂閥的關(guān)斷是由一個(gè)球形閥芯和一個(gè)充氣的橡膠密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)的，閥芯是一個(gè)球面圓頂，在開關(guān)過程中，閥芯與橡膠密封圈間保持有約0.4～0.6mm的間隙，使閥芯與橡膠密封圈可以以無(wú)接觸的方式運(yùn)動(dòng)，目的是使閥芯與橡膠密封圈之間不產(chǎn)生摩擦，減少磨損。氣動(dòng)執(zhí)行元件為雙作用直線氣缸，通過轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)圓頂閥閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)圓頂閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，橡膠密封圈充氣，膨脹緊緊地壓在球面圓頂閥芯上，從而形成一個(gè)非?？煽康拿芊猸h(huán)帶，阻止了管道內(nèi)物料的流動(dòng)。其包括3個(gè)狀態(tài)：（1）常態(tài)：閥芯處于關(guān)閉位置時(shí)，轉(zhuǎn)臂上的調(diào)整螺釘壓住二位三通機(jī)控滑閥的頂桿，氣源對(duì)密封圈供氣，壓力表顯示出作用在密封圈上的壓力。（2）打開狀態(tài)：直線氣缸開始動(dòng)作的瞬間，轉(zhuǎn)臂上的調(diào)整螺釘脫離二位三通機(jī)控滑閥的頂桿，其密封圈內(nèi)的空氣從排氣孔中排出，此時(shí)閥芯開始轉(zhuǎn)動(dòng)。為達(dá)到閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)過程中閥芯與密封圈之間不接觸的目的，在密封圈的進(jìn)氣口處加裝一只快速排氣閥，使密封圈內(nèi)的空氣從快速排氣閥的排氣孔中直接快速排出。（3）關(guān)閉狀態(tài)：在關(guān)閉的指令下，氣缸開始反向動(dòng)作，閥芯反向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)至關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)臂上的調(diào)整螺釘壓住二位三通機(jī)控滑閥的頂桿，氣源對(duì)密封圈供氣。

目前，國(guó)內(nèi)外作為火電除灰系統(tǒng)氣動(dòng)圓頂閥中的密封圈多數(shù)采用丁腈橡膠材料（NBR）密封圈，氟橡膠（VITON）或乙丙膠（EPDM）作為主要材料。丁腈橡膠具有良好的耐磨性能和耐熱老化性能，但它的力學(xué)性能不好，抗拉強(qiáng)度較低，回彈能力較差，普通丁腈橡膠的耐溫性也不是很好。氫化丁晴膠（HNBR）為丁晴膠中經(jīng)由氫化后去除部份雙鏈，經(jīng)氫化后其耐高溫性（可達(dá)150℃）、耐候性比一般丁晴橡膠提高很多，耐油性與一般丁晴膠相近，較丁晴膠擁有較佳的抗磨性、抗蝕、抗張、抗撕和壓縮性;氟橡膠具有良好的耐高溫性能（可達(dá)250℃），但其在高溫下的抗拉強(qiáng)度較低。乙丙膠由乙烯及丙烯共聚合而成，因此耐熱性、耐老化性、耐臭氧性、安定性均非常優(yōu)秀，一般使用溫度為（50℃～150℃），但其抗張、抗撕較之氫化丁腈較差，回彈能力極差。上述材料不能同時(shí)具有優(yōu)良的綜合性能，仍有很大的提高空間。

密封圈是圓頂閥的關(guān)鍵部件。閥門無(wú)論在靜態(tài)的工作條件下，還是動(dòng)態(tài)的開關(guān)過程中，密封圈都會(huì)在一定程度上出現(xiàn)老化或磨損現(xiàn)象。因此，由于抗撕裂性、彈性、耐磨性、耐高溫性等性能的不足，在早期損壞的閥門中，密封件的損壞，占有較大的比重。密封圈性能的提升，需要通過對(duì)密封圈材料和制造工藝的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于閥門工作過程需要承受最高200℃的高溫，一般橡膠材料難以滿足要求，綜合考慮工作條件使用要求，產(chǎn)品采用氫化丁腈橡膠作為主要材料，并輔以其他特殊材料及工藝進(jìn)行生產(chǎn)，具有很好的運(yùn)動(dòng)性能，同時(shí)具有很高的耐磨性和耐高溫特性，是密封圈的理想材料。

該密封圈通過在卡持部設(shè)置有卡槽，以及在吸盤部?jī)?nèi)部設(shè)置有儲(chǔ)油的環(huán)形通道，在使用時(shí)，閥門的機(jī)械結(jié)構(gòu)與卡槽嵌合，并擠壓卡槽，使得吸盤部與閥門吸附固定，在松開后回彈迅速恢復(fù)形狀，并通過環(huán)形通道將油料擠出進(jìn)行潤(rùn)滑降低摩擦力，防止密封圈磨損，因此具有不易磨損、回彈能力好和受用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，另外將氫化丁腈、聚丙烯纖維、乳膠粉和改性生膠制成粘度高的膠液，混合由硫酸鈣晶須、氧化鋅、炭黑、植物纖維粉末、硫磺和生石灰制成的填料，再結(jié)合纖維素醚、瀝青、溴代異氰酸酯、防老劑4.4'一雙（2.2-二甲基芐基）二苯胺、硫化劑二硫化苯并噻唑和軟化劑石蠟，提高了改性橡膠材料密封圈的韌性和抗拉性能，在使用時(shí)受到擠壓能夠?qū)εc閥門吸附固定，可減緩沖擊力，移除擠壓力后，密封圈可迅速回彈恢復(fù)形狀，并且降低與閥門的摩擦面積，使得密封圈的使用壽命得到延長(zhǎng)。

2.3 耐磨閥體流道結(jié)構(gòu)

針對(duì)燃煤電廠所用的煤質(zhì)，由于采購(gòu)區(qū)域煤質(zhì)成份不同，其含雜質(zhì)不同，煤矸石含量高的煤，燃燒不完全，顆粒大（沖刷強(qiáng)）、硬度高（造成閥門密封部位極易磨損）。一般材質(zhì)及經(jīng)熱處理的材料其硬度達(dá)不到要求，有些甚至低于煤矸石的硬度，極易受沖蝕，造成閥門使用壽命短。國(guó)外多個(gè)知名大公司具有生產(chǎn)同類閥門的技術(shù)能力，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)市場(chǎng)的高額占有率，其中主要有英國(guó)的Clyde、日本的Kitz、瑞士的ABB、芬蘭的PNEUPLAN和德國(guó)的KSB等，但由于國(guó)內(nèi)火電用煤質(zhì)的情況特殊，其產(chǎn)品“水土不服”，使用效果不佳，壽命較低。

閥體流道表面涂覆有聚氨酯層，閥體流道內(nèi)設(shè)置有耐磨護(hù)環(huán)，耐磨環(huán)材料根據(jù)使用工況條件，采用硬質(zhì)合金、氧化鋯基耐磨陶瓷、氧化鋁基耐磨陶瓷、碳化硅基耐磨陶瓷、莫來(lái)石基耐磨陶瓷、氧化硅基耐磨陶瓷等材料，提高耐磨、抗沖蝕性能、抗高溫氧化性。

2.4 根據(jù)閥芯自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的專用組合夾具

本夾具包括箱體座、轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤、前定位塊、后定位塊、夾具體、調(diào)節(jié)螺母、閥芯頂緊塊、止轉(zhuǎn)塊、可換支撐塊、橫向距離微調(diào)導(dǎo)槽、縱向距離微調(diào)導(dǎo)槽、階梯軸、橫向凹槽、縱向凹槽、橫向距離粗調(diào)孔、縱向距離粗調(diào)孔、固定螺栓、螺母、墊片。本發(fā)明適用于加工整體式圓頂閥半球面閥芯，并采用復(fù)合加工中心專用組合夾具實(shí)現(xiàn)快速裝夾定位。將半球面閥芯十字型凸臺(tái)放置于夾具體頂部半球面上的十字型凹槽內(nèi)，利用調(diào)節(jié)螺母將閥芯頂緊塊頂緊閥芯兩側(cè)的圓柱形凸臺(tái)，并用前后定位塊卡緊兩側(cè)的圓柱型凸臺(tái)，夾具體和定位塊都固定在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤通過止轉(zhuǎn)塊固定在箱體座上，對(duì)閥芯兩側(cè)圓柱型凸臺(tái)兩端面進(jìn)行銑削，對(duì)預(yù)制毛坯孔鏜孔，將止轉(zhuǎn)塊去掉后，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行閥芯半球面的精加工。本方法是根據(jù)閥芯自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的專用組合夾具，只需一次裝夾就可以完成幾道工序的加工，減少了積累誤差，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了成本，適用于圓頂閥半球面閥芯的批量生產(chǎn)。

3 ?結(jié)語(yǔ)

物料氣力輸送系統(tǒng)由于其封閉性，具有很強(qiáng)的環(huán)境保護(hù)功能。同時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可任意改變其輸送方向等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要用于燃煤電廠的飛灰處理及各種物料的輸送，也可以用于水泥、化工、塑料、糧食和食品等行業(yè)的輸送。其特點(diǎn)是：全密封輸送，無(wú)任何泄漏，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，系統(tǒng)工作可靠性強(qiáng)，全部自動(dòng)化無(wú)人控制，運(yùn)行成本低，是一種理想的輸送設(shè)備，對(duì)環(huán)境保護(hù)有重要作用。氣力輸送系統(tǒng)具有傳統(tǒng)機(jī)械輸送所不具備的優(yōu)越性能，因而愈來(lái)愈受到各行各業(yè)的重視，成為實(shí)際應(yīng)用中較理想的輸送方式，市場(chǎng)前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬(wàn)宇杰，熊順源，童幸生.閥門密封面表面處理技術(shù)的探討與展望[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32（4） ：81–85.

[2] 呂瑞典.化工設(shè)備密封技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

[3] 曾曉雁.表面工程學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4] 屠大燕.流體力學(xué)與流體機(jī)械[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.