偏心蝶閥分析計算及在冶金系統的應用
一、前言
我國原有的高爐系統閥門(mén)由于受高爐規模的影響，系統中管道的公稱(chēng)通徑大都比較小，高爐系統中應用的閥門(mén)大多數采用豎型閘閥產(chǎn)品。該產(chǎn)品的體積大，質(zhì)量大，安裝和密封效果等都不是很理想。目前，隨著(zhù)煉鐵高爐的大型化的逐漸深入，以及節能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，高爐系統的管道通徑在逐漸加大。為此，豎型閘閥產(chǎn)品在一些大型高爐的部分工況中將不再適合生產(chǎn)的需要;隨之取代的是體積小，質(zhì)量輕，扭矩小，安裝方便快捷，操作簡(jiǎn)單且密封可靠的蝶閥產(chǎn)品。
二、偏心蝶閥的使用
偏心蝶閥在煉鐵高爐中得到了廣泛應用，適用于冶金、礦山、水泥、醫藥、化工、發(fā)電及城市供熱等行業(yè)的高溫氣體(煙氣、空氣、煤氣等)管路系統，作為啟閉設備使用。驅動(dòng)方式有液壓驅動(dòng)及電動(dòng)驅動(dòng)兩種。在煉鐵高爐中主要安裝在余熱利用系統、干法除塵系統和煤氣管網(wǎng)，在公稱(chēng)通徑較大、工作壓力和啟閉壓差較低、溫度較高(200～350℃)的工況條件下應用。
由于在冶金系統管路中大部分為高溫(≥200℃)氣體介質(zhì)，針對此而開(kāi)發(fā)和研制了密封副為全金屬的硬密封蝶閥，如圖1所示，即金屬硬密封偏心蝶閥。此種蝶閥采用面與面接觸，由于密封副的材料選取為金屬，因此偏心蝶閥的使用溫度可以在400℃以上。但是，由于密封副為全金屬材料，所以蝶閥的密封泄漏率很難達到標準的A級(蝶閥性能理想狀態(tài))，一般在C級左右。另外，由于金屬密封副材料的選取不過(guò)關(guān)，在高溫情況下，金屬的彈性很容易失去。所以，在使用一段時(shí)間后，閥門(mén)的泄漏率明顯加大，不能保證閥門(mén)的密封性能，從而大大降低了閥門(mén)的使用壽命。
圖1 金屬硬密封偏心蝶閥
復合材料的硬密封偏心蝶閥解決了此種難題，如圖2所示。此種偏心蝶閥的密封副為多層次復合材料，是由金屬材料和非金屬材料復合而成，具有耐高溫(≤500℃)、耐老化、高溫下具有良好的彈性等優(yōu)點(diǎn)。尤其是中間的非金屬夾層能夠使密封副的密封產(chǎn)生梯級密封形式，經(jīng)過(guò)長(cháng)期使用，仍能保持良好、可靠的高溫使用效果，從而增強了閥門(mén)的密封性能，延長(cháng)了閥門(mén)的使用壽命，在冶金高爐的各個(gè)系統得到了廣泛的應用。
由于多層次復合材料硬密封偏心蝶閥的應用條件，大部分為高溫狀態(tài)下的常開(kāi)或常關(guān)的閥門(mén)狀態(tài)。在閥門(mén)常開(kāi)的狀態(tài)下，介質(zhì)對閥板的高壓側長(cháng)時(shí)間沖刷，若多層次復合密封副安裝在閥板上，則密封副受損嚴重，在閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)極易造成閥門(mén)在此處的局部泄漏，從而影響閥門(mén)使用性能。因此，應將多層次復合密封副安裝在閥體上，這樣多層次復合密封副受介質(zhì)沖刷均勻，同時(shí)在閥板與多層次復合密封副結合處堆焊硬質(zhì)合金，避免了上述問(wèn)題的發(fā)生。此種結構的蝶閥，被廣泛應用到冶金高爐的各高溫系統。
圖2 復合材料硬密封偏心蝶閥
三、偏心蝶閥分析計算
1.偏心蝶閥的力矩計算
偏心金屬硬密封蝶閥的啟閉力矩包括二次偏心力矩、閥門(mén)開(kāi)啟瞬間閥板、密封副間的摩擦力矩、閥軸與軸套的摩擦力矩、閥軸與填料的摩擦力矩(見(jiàn)下表)。
偏心蝶閥的力矩計算表
注：閥軸與填料的摩擦力矩為閥軸單側的摩擦力矩，如果閥軸兩側均有填料，MT需乘以2。
2.閥體、閥板的剛度有限元分析
因蝶閥在高爐系統中的密封性能非常重要，所以在蝶閥的主體零部件設計過(guò)程中，剛度是非常重要的，它是閥門(mén)正常使用、壽命長(cháng)短的重要考核指標。因此，在設計的過(guò)程中，要對閥體、閥板進(jìn)行有限元分析。通過(guò)模擬現場(chǎng)工作壓力和工作溫度獲得的應力和應變值，對設計進(jìn)行指導，如圖3、圖4所示。
(a)應變
(b)應力
圖3 閥板應力應變分布
(a)應變
(b)應力
圖4 閥體應力應變分布
四、結語(yǔ)
偏心金屬硬密封蝶閥的結構緊湊，零部件少，體積小，重量輕，耐高溫，啟閉靈活，在長(cháng)期的工作狀態(tài)下可實(shí)現零泄漏，有效地提高了閥門(mén)的使用壽命，降低了所需動(dòng)力，節約了成本。另外，隨著(zhù)節能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，高爐余壓將會(huì )被越來(lái)越多的再回收利用，偏心蝶閥作為余壓利用高爐操作系統的一個(gè)閥門(mén)會(huì )得到更加廣泛的應用。
