高溫高壓三偏心蝶閥研發(fā)及應(yīng)用的探討

潘益茅 洪衛(wèi) 鐘家富 宋吉利

摘要：在我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的背景下，高溫高壓閥門(mén)的使用工況在不斷增加，而三偏心硬密封蝶閥的綜合效益相對(duì)較高。深入研究高溫高壓三偏心蝶閥的研發(fā)設(shè)計(jì)要求，掌握在高溫高壓三偏心蝶閥研發(fā)過(guò)程中必須關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)需要加強(qiáng)高溫高壓三偏心蝶閥的扭矩計(jì)算工作。可以為高溫高壓三偏心蝶閥的創(chuàng)新發(fā)展提供一定參考，促進(jìn)三偏心蝶閥地進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：三偏心蝶閥;高溫高壓;研發(fā)要點(diǎn);應(yīng)用要點(diǎn)

前言

在煤化工生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)三偏心蝶閥的應(yīng)用越來(lái)越普遍。尤其是為了能夠滿足不同的工況需求，蝶閥在不斷演化和發(fā)展。為了充分發(fā)揮高溫高壓三偏心蝶閥在煤化工產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，需要根據(jù)當(dāng)前高溫高壓三偏心蝶閥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和在高溫高壓狀況工況下必須考慮的各種因素，促進(jìn)高溫高壓三偏心蝶閥的研發(fā)。這對(duì)推動(dòng)我國(guó)重大裝備制造業(yè)的發(fā)展也有重要意義。

一、三偏心蝶閥特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)

三偏心蝶閥是溫度為425攝氏度以下的可以在化工生產(chǎn)、冶金以及電力等不同工藝管道上應(yīng)用的設(shè)備，其主要作用是對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)可以截?cái)嗔黧w。一般情況下，三偏心蝶閥是以鑄鐵、鑄鋼、不銹鋼材質(zhì)為主，三偏心蝶閥的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面：第一，具有雙重的安全構(gòu)造。一般三偏心蝶閥在生產(chǎn)制造時(shí)，為了防止受流體壓力溫度的影響出現(xiàn)變形、錯(cuò)位、密封面咬合等問(wèn)題，會(huì)在底板上下安裝獨(dú)立的止推環(huán)，確保閥門(mén)在任何工況下都可以正常運(yùn)行。同時(shí)為了有效防止閥桿破損飛出而產(chǎn)生的突發(fā)事故，還會(huì)在閥門(mén)的下端內(nèi)外兩處設(shè)計(jì)獨(dú)立的閥桿飛出防止機(jī)構(gòu)也能夠確保蝶閥在高溫高壓狀態(tài)下的安全性。第二，無(wú)死區(qū)設(shè)計(jì)。在三偏心蝶閥設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)調(diào)控領(lǐng)域的具體應(yīng)用情況充分考慮，可以充分發(fā)揮三偏心蝶閥的密封原理。在閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)，可以防止蝶板刮擦損傷，確保閥桿的扭矩通過(guò)蝶板可以傳遞到密封面，能夠避免打開(kāi)不同閥門(mén)時(shí)導(dǎo)致的跳躍問(wèn)題。同時(shí)可以解決在閥門(mén)低開(kāi)度范圍內(nèi)，因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)生的不安定因素。這代表著在三偏心蝶閥應(yīng)用過(guò)程中，從0開(kāi)度開(kāi)始就能夠進(jìn)入可調(diào)控的區(qū)域，一直到90開(kāi)度，其正常調(diào)控比一般蝶閥的兩倍以上。將其用作調(diào)控閥可以創(chuàng)造更加良好的條件，尤其是在大口徑截止閥應(yīng)用過(guò)程中具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。第三，本體閥座構(gòu)造。三偏心蝶閥的閥座是以本體閥座構(gòu)造為主，將閥座直接安裝在本體上，能夠減少閥座與介質(zhì)接受接觸的機(jī)會(huì)，降低閥座受沖蝕的影響。從而延長(zhǎng)閥座的使用壽命和應(yīng)用性能。第四，高密封填料結(jié)構(gòu)。三偏心蝶閥屬于回轉(zhuǎn)型的閥門(mén)，閥桿動(dòng)作僅為90度回轉(zhuǎn)。這與閘閥、截止閥等閥桿動(dòng)作相比。填料部分的受磨損程度比較低，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，并且在材料密封時(shí)能夠防止外部泄漏[1]。

二、高溫高壓三偏心蝶閥的研發(fā)中需要關(guān)注的問(wèn)題

（一）高壓工況下的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)高壓高溫三偏心蝶閥進(jìn)行研發(fā)的過(guò)程中，需要以三偏心蝶閥的具體標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，探討其在高溫高壓狀態(tài)下的應(yīng)用需求。我國(guó)現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中與研發(fā)相關(guān)的規(guī)定中對(duì)閥門(mén)的一般要求與美國(guó)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)相接近。在對(duì)高溫高壓三偏心蝶閥進(jìn)行研發(fā)的過(guò)程中，需要確保蝶閥的工程壓力在PN5.0MPa以上。按照這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三偏心蝶閥進(jìn)行研發(fā)可以提高我國(guó)三偏心蝶閥的研發(fā)水平。但是對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)下的三偏心蝶閥進(jìn)行研發(fā)的過(guò)程中，會(huì)對(duì)企業(yè)會(huì)造成一定困難。主要是因?yàn)槲覈?guó)并沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在研發(fā)時(shí)存在無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依的情況。同時(shí)在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程，如果研發(fā)的產(chǎn)品與國(guó)家將來(lái)出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)不符合，可能會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，這是在高溫高壓三偏心蝶閥研究和生產(chǎn)過(guò)程中必須關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。

（二）軸與軸承間隙

在高溫工況下需要考慮軸與軸承之間的間隙問(wèn)題，這是提高高溫高壓三偏心蝶閥應(yīng)用水平的重要基礎(chǔ)。軸與軸承之間的間隙至關(guān)重要，會(huì)對(duì)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)性能產(chǎn)生直接影響。因?yàn)殚y體的體積相對(duì)較大，在局部溫度升高的過(guò)程中，短時(shí)間的膨脹效果并不明明顯，可能會(huì)出現(xiàn)膨脹受限的問(wèn)題。因此，軸承的膨脹空間受閥體的膨脹限制相對(duì)較大，不能認(rèn)為軸承是充分膨脹的。甚至在研發(fā)過(guò)程中，如果軸承外部受到一定限制，可能會(huì)向內(nèi)膨脹導(dǎo)致內(nèi)孔出現(xiàn)畸形。為了對(duì)這種問(wèn)題進(jìn)行有效解決，可以將軸承加工成開(kāi)口的C形結(jié)構(gòu)，如果軸承內(nèi)壁堆焊硬質(zhì)合金，軸承的內(nèi)孔膨脹系數(shù)必須要以硬質(zhì)合金的膨脹系數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算[2]。此外，一般高溫三偏心蝶閥前后軸承都需要以外置方式設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方式可以防止閥桿和閥體的金屬材料在高溫條件下膨脹，導(dǎo)致閥桿直徑增加，軸孔直徑縮小引發(fā)的閥桿與閥體軸孔摩擦力增大問(wèn)題，能夠避免旋轉(zhuǎn)扭矩增加和傳動(dòng)件卡死。

為了確保在高溫工況下三偏心蝶閥的軸與軸承徑向間隙和合適，在高溫下的間隙通常會(huì)比常溫下的間隙更大。例如DN1300mm的軸向設(shè)計(jì)中，如果溫度在400℃以上，為了保證間隙標(biāo)準(zhǔn)，在常溫下的間隙要達(dá)到0.6毫米以上。在常溫環(huán)境下做實(shí)驗(yàn)時(shí)，閥板的單側(cè)受壓后，軸會(huì)完全偏向另一側(cè)。對(duì)于閥座和閥板密封圈的位置也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，在研發(fā)過(guò)程中需要對(duì)消除側(cè)向移位的影響。一般情況下軸的熱變形量計(jì)算采取的公式為以下兩個(gè)：

其中為α軸材料線膨脹系數(shù);表示的是溫度變化值。

（三）密封面堆焊

在對(duì)三偏心蝶閥的密封線進(jìn)行處理的過(guò)程中，需要利用有效的硬化措施，尤其是在高溫高壓工況下的三偏心蝶閥研發(fā)過(guò)程中，要特別注意其使用工況的具體要求。因?yàn)槿牡y是金屬對(duì)金屬的硬密封性結(jié)構(gòu)，在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)接觸面必須要保持密封比壓。在高溫工況下，普通不銹鋼的強(qiáng)度會(huì)大幅度下降，如果沒(méi)有對(duì)表面進(jìn)行硬化處理，會(huì)導(dǎo)致接觸面出現(xiàn)屈服受損問(wèn)題而影響密封效果。因此，為了保證密封效果以及密封壽命，要加強(qiáng)密封面的硬化處理工作。例如利用堆焊硬質(zhì)合金或者熱噴涂硬質(zhì)材料等都能夠達(dá)到硬化處理要求。目前，在對(duì)密封面進(jìn)行處理時(shí)，比較常用的措施是利用堆焊進(jìn)行硬化處理?？梢詫⑺咎⒑辖饝?yīng)用在密封面堆焊過(guò)程中。司太立合金在高溫狀態(tài)下具有較強(qiáng)的硬度和強(qiáng)度，加工性能比較優(yōu)良，是目前應(yīng)用比較良好的堆焊材料。在實(shí)際堆焊時(shí)還要充分考慮閥板密封圈和閥體密封圈部位，可以利用不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金材料完成堆焊作業(yè)，確保兩者之間有一定的硬度差，防止相同材料咬住，可以提高密封效果[3]。

（四）軸的軸向膨脹與閥板位移

通常情況下，軸與閥板之間需要利用銷(xiāo)釘、鍵等進(jìn)行連接，軸帶動(dòng)閥板可以完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作。完成軸安裝作業(yè)后，軸向是不可以浮動(dòng)的，但是在高溫狀況下，軸的熱膨脹量比較大，軸會(huì)明顯向一側(cè)位移。在這種情況下會(huì)導(dǎo)致軸帶動(dòng)閥板移動(dòng)，從而使閥門(mén)卡死或者銷(xiāo)釘受剪切損壞。為了確保閥門(mén)處于正常的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，必須對(duì)閥門(mén)的軸向位置進(jìn)行充分考慮。對(duì)高溫高壓三偏心蝶閥進(jìn)行研發(fā)時(shí)，可以利用鍵對(duì)軸和閥板進(jìn)行連接，防止軸的熱膨脹影響閥門(mén)的左右竄動(dòng)。與此同時(shí)，還要在閥板組件的兩頭設(shè)置蝶形彈簧，進(jìn)一步確保閥板組件的穩(wěn)定性，使其始終處于閥門(mén)的中心位置，在軸出現(xiàn)軸向膨脹時(shí)，可以有效防止閥門(mén)移位。

三、高溫高壓三偏心蝶閥的扭矩計(jì)算

在對(duì)高溫高壓三偏心蝶閥進(jìn)行研發(fā)時(shí)，還要注意考慮其扭矩計(jì)算問(wèn)題。因?yàn)槿牡y的密封圈受力情況相對(duì)復(fù)雜，再加上在加工制造過(guò)程中，其具體的精度會(huì)對(duì)生產(chǎn)結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。在這種情況下需要加強(qiáng)三偏心蝶閥軸扭矩計(jì)算工作。通常情況下，三偏心蝶閥受到的扭矩主要包括填料摩擦力矩、軸承摩擦力矩、閥瓣偏心距導(dǎo)致的流體不平衡力矩、閥瓣密封面作用力形成的密封力矩、流體流動(dòng)形成的動(dòng)力矩等。這五個(gè)方面的力矩不一定同時(shí)存在，例如在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)動(dòng)力矩不存在，密封力矩在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)也不存在。除了填料摩擦力矩處于穩(wěn)定狀態(tài)之外，其他的力矩都是隨著閥門(mén)開(kāi)度的變化而變化的。在力矩計(jì)算的過(guò)程中，需要根據(jù)流體工況的具體情況和對(duì)閥門(mén)功能的要求，對(duì)力矩結(jié)果進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。這樣才能夠確保三偏心蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)研發(fā)的合理性。要注意在三偏心蝶閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置時(shí)保證其功能的可靠性。因?yàn)殚y門(mén)軸的規(guī)格和材料以及密封面結(jié)構(gòu)和材料等會(huì)對(duì)閥門(mén)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力太大或者太小等都會(huì)對(duì)閥門(mén)的可靠性產(chǎn)生影響。力矩太大會(huì)導(dǎo)致密封面損壞;力矩太小會(huì)使閥門(mén)不能精確定位。此外，還要考慮到三偏心蝶閥的研發(fā)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性和操作方便性，提高三偏心蝶閥的應(yīng)用效益[4]。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)三偏心蝶閥的具體特點(diǎn)對(duì)高溫高壓工況下三偏心蝶閥的研發(fā)要點(diǎn)進(jìn)行全面掌握，可以在一定程度上提高三偏心蝶閥的應(yīng)用水平。完成高溫高壓三偏心蝶閥研發(fā)工作后，將其應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，探討其具體的應(yīng)用情況。根據(jù)綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)高溫高壓三偏心蝶閥的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)能夠達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，特別是高溫高壓大口徑系列的三偏心蝶閥在工藝條件比較苛刻的煤化工廠具有突出的應(yīng)用效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]李霆，郁正濤，張杰，等. 高溫三偏心蝶閥材料的選擇[J]. 通用機(jī)械，2019，No.206（08）：45-47.

[2]張玉彩. 論高溫高壓金屬硬密封三偏心蝶閥性能特點(diǎn)與制造[J]. 中國(guó)機(jī)械，2019（16）：110-110.

[3]江力. 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化要點(diǎn)[J]. 科技與創(chuàng)新，2019，000（024）：P.96-96.

[4]楊玲玲，張建斌. 三偏心金屬密封蝶閥密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)設(shè)備工程，2019，000（004）：72-73.