金屬平面密封蝶閥的開(kāi)發(fā)與應用

1、前言

　　近幾年來(lái)，隨著(zhù)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(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(cháng)。當前，國內外生產(chǎn)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(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家實(shí)用型專(zhuān)利(專(zhuān)利號為：ZL97224037.3)。

2、金屬平面密封氣動(dòng)蝶閥的特點(diǎn)

　　(1)采用杠桿式啟閉結構，使密封副間相對滑動(dòng)很小，減小相對磨損。

　　(2)執行機構采用連桿增力機構。這種機構在蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，驅動(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(cháng)。

　　(4)關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設計，使總的閥門(mén)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(kāi)關(guān)，不受環(huán)境條件限制，而且信號靈敏，準確性高，可以實(shí)現遠程遙控，氣動(dòng)控制和自動(dòng)控制，與設備配套時(shí)也可以實(shí)現無(wú)人操作。

3、結構及工作原理

3.1、杠桿式啟閉結構

　　當蝶閥關(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，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，隨主軸杠桿的轉動(dòng)而轉動(dòng)。當蝶板上端B與閥體密封面全部接觸而達到密封。開(kāi)啟過(guò)程正好相反。在啟閉過(guò)程中，密封副間相對滑動(dòng)很小，減小相對磨損。在關(guān)閉狀態(tài)為軸向壓力密封，改變傳統的外力擠壓密封。

3.2、連桿增力式執行機構

　　連桿增力式執行機構如圖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)力臂于箱體內滑動(dòng)，連桿牽動(dòng)搖桿順時(shí)針轉動(dòng)，輸出扭矩。而連桿與搖桿長(cháng)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(dòng)搖桿轉動(dòng)，根據力的分析可知：

P=Q/cosαα=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(shí)(蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài))，驅動(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(xiàn)上恰好包容了蝶閥操作扭矩曲線(xiàn)，滿(mǎn)足蝶閥在關(guān)閉或開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)所需的密封力矩。

3.3、平面密封結構

　　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)盈量不能任意調整，密封性能取決于密封材料的過(guò)盈量，因此，設計中選擇密封材料及其過(guò)盈量就顯得十分重要。在工作中，特別是在分子篩預凈化流程中，切換閥工作在10～200℃范圍內，采用橡膠密封圈時(shí)，橡膠的線(xiàn)性膨脹系數很大，受溫度變化影響大，過(guò)盈量很難準確確定。如果過(guò)盈量大，不但增大摩擦力，而且時(shí)常出現“啃邊”和“翻舌”現象，使密封失效，過(guò)盈量小則出現泄漏。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)間運行后還會(huì )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(guò)盈很難控制，制造相當復雜，成本很高。同時(shí)對橡膠密封材料來(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，對于大型空分設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構，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，它們具有很強的耐腐蝕和耐磨性，使用溫度范圍大，在-40～300℃之間可以長(cháng)期使用，因此，使用壽命比橡膠密封大得多。

　　由于閥板的運動(dòng)機構采用杠桿形式，當閥板關(guān)閉后，閥板與閥座成為平面接觸密封，其后杠桿相當于凸輪機構，如果主軸繼續旋轉，那么閥板向前繼續平移達到力的平衡，有工作介質(zhì)壓力時(shí)，還能實(shí)現自密封，保證了密封可靠性。當整個(gè)密封面磨損后，還具有自動(dòng)補償密封磨損量的特性，從而延長(cháng)了使用壽命。

　　由于該閥門(mén)采用合理的結構，其使用性能比國內其它閥門(mén)好，已經(jīng)能夠取代國外同類(lèi)產(chǎn)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PN1.0MPaDN300氣動(dòng)蝶閥，并進(jìn)行了性能指標試驗和模擬現場(chǎng)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(zhì)溫度：常溫；開(kāi)啟次數：1500次(要求1000次/a)；動(dòng)作啟閉時(shí)間：10s。

4.2、模擬現場(chǎng)工況試驗

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

　　經(jīng)過(guò)試驗后，對各個(gè)部件進(jìn)行檢查，主密封面無(wú)磨損痕跡，執行機構的運動(dòng)部件及閥內運動(dòng)部件完好無(wú)損，且整體動(dòng)作靈活，運行可靠。目前，這種閥門(mén)已經(jīng)系列化，可以與大中小型空分設備配套使用。

　　此后，我們又開(kāi)發(fā)出PN1.0MPaDN400蝶閥，于1997年12月在長(cháng)治鋼廠(chǎng)六千空分設備上使用，性能良好，深受用戶(hù)好評。

　　為了適應小型高純氮設備流程需要，我們又組織開(kāi)發(fā)了PN1.6MPaDN150和DN200蝶閥，也被用戶(hù)選用。

　　針對我公司為天津鐵廠(chǎng)提供1.5萬(wàn)大型空分設備，1997年10月又組織開(kāi)發(fā)了PN1.0MPaDN500和DN600蝶閥，于1998年6月20日在天鐵1.5萬(wàn)空分設備上正式使用，至今運行良好，得到用戶(hù)的依賴(lài)。最近，魯南化工廠(chǎng)1.6萬(wàn)空分設備所配套DN500DN600閥門(mén)也將開(kāi)始運行。它的成功應用標志著(zhù)高壓力、大口徑的金屬硬密封蝶閥長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口的歷史已經(jīng)結束，同時(shí)也填補了國內大口徑金屬硬密封蝶閥的應用空白。

　　通過(guò)實(shí)際應用，各項設計指標均達到要求，滿(mǎn)足空分設備工藝流程的要求，該產(chǎn)品已經(jīng)供給用戶(hù)使用。目前，我公司這種閥門(mén)主要是為空分設備配套，自1997年投產(chǎn)以來(lái)，已經(jīng)生產(chǎn)DN200～DN600不同規格閥門(mén)100多臺，供應國內市場(chǎng)，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(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、石油及其它天燃氣管道輸送行業(yè)。尤其是天燃氣輸送管道所用閥門(mén)為大口徑蝶閥，采用這種氣動(dòng)閥門(mén)既能滿(mǎn)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內外同類(lèi)產(chǎn)品，成為市場(chǎng)主導產(chǎn)品，具有廣闊的發(fā)展前景。