分體直流式金屬密封截止閥的設計

1、概述

　　目前國內煤化工裝置中用于輸送煤漿(包括黑水、灰水等)的閥門(mén)，或電解鋁生產(chǎn)裝置用于輸送料漿的閥門(mén)，均采用球閥或整體結構的直流式截止閥。由于此類(lèi)閥門(mén)的閥座不可拆卸更換，且表面硬化困難，普遍存在耐沖蝕性能差，易出現內漏和結疤嚴重等問(wèn)題。當閥門(mén)發(fā)生故障時(shí)，需要整機維修或更換，影響生產(chǎn)，維護成本高。根據系統裝置的特殊要求，設計了分體直流式金屬密封截止閥，為煤化工和電解鋁裝置用閥門(mén)提供了更好的選擇。

2、結構特點(diǎn)

　　分體直流式金屬密封截止閥主要由左閥體、右閥體、可更換閥座、保護襯套、閥瓣、閥瓣蓋、閥桿、閥蓋、填料、防轉板、執行機構等零部件組成(圖1)。由于閥門(mén)輸送的介質(zhì)為固液混合物，且固體顆粒硬度高，流速快，壓力高，靜止時(shí)沉積結垢，所以閥門(mén)要具備耐高壓，耐沖蝕，耐磨損，防結疤等性能。經(jīng)過(guò)分析，對閥門(mén)結構進(jìn)行了優(yōu)化設計。

　　(1)閥門(mén)采用直流式結構，閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，通道呈流線(xiàn)型，壓力損失小，流阻系數接近于同類(lèi)型閘閥。

1.左閥體 2.右閥體 3.可更換閥座 4.保護襯套 5.閥瓣 6.閥瓣蓋 7.閥桿 8.閥蓋 9.填料 10.防轉板 11.執行機構

圖1 分體直流式金屬密封截止閥

　　(2)閥體采用分體式結構(根據工況的需要可進(jìn)行閥體內表面硬化處理)，閥座采用可更換結構(此結構特別有助于閥座的表面硬化)，閥座上下分別設計有特殊密封結構。通過(guò)左右閥體的連接螺栓鎖緊，形成了左右閥體的密封，此結構不僅裝配簡(jiǎn)單方便，也有利于閥門(mén)清理和維護。

　　(3)閥座內壁和閥瓣外表面均進(jìn)行表面硬化處理，閥座和閥瓣所有與介質(zhì)接觸的拐角處均倒圓角，不僅有利于表面硬化處理，而且增加了耐沖蝕性。使用時(shí)根據不同介質(zhì)的實(shí)際情況，采取不同的方式進(jìn)行表面硬化處理，以得到不同的表面硬度(>70HRC、60～70HRC、50～60HRC或<50HRC等)。

　　(4)由于閥門(mén)微開(kāi)啟時(shí)介質(zhì)流速非�？�，對右閥體內壁靠近密封面的一段區域內的沖蝕相當嚴重，所以在該部位鑲有保護襯套，襯套內壁同樣進(jìn)行表面硬化處理，強化了易損件的耐沖刷性能，提高了閥門(mén)整體的使用壽命。

　　(5)閥桿和閥瓣均采用防轉式設計，閥桿上部與支架之間安裝有防轉板，閥瓣與閥桿頭部采用方形連接，閥門(mén)啟閉時(shí)閥桿和閥瓣只作升降運動(dòng)，不作回轉運動(dòng)，既避免了閥桿運動(dòng)時(shí)與相關(guān)零件的磨損，又避免了閥瓣啟閉瞬間密封面之間的摩擦，減小了閥瓣開(kāi)啟受到介質(zhì)沖擊時(shí)回轉而引起的閥門(mén)不穩定性和相接觸零部件之間的磨損。

　　(6)閥瓣和閥座密封面采用球面對錐面的結構，閥瓣密封面為球面，閥座密封面為錐面(圖2)，有利于密封面自動(dòng)對準吻合。

圖2 閥座密封面

3、主要參數設計計算

　　3.1、殼體壁厚及流道

　　殼體壁厚按ASMEB16.34-2009規定的最小壁厚的基本公式計算。閥門(mén)流道最小內徑按ASMEB16.34-2009規定最小流道直徑的90%選取。

　　3.2、密封比壓

　　閥門(mén)的密封比壓q為

　　式中q———驗算的實(shí)際比壓，MPa；FMZ———密封面上總作用力；FMJ———密封面上介質(zhì)作用力，N；DMW———密封面外徑，mm；DMN———密封面內徑，mm；bM———密封面寬度，mm；p———計算壓力(取p=PN)，MPa；FMF———密封面上軸向密封力，N；fM———密封面摩擦系數(查表)；α———密封面錐半角，(°)；qMF———密封面上必須比壓(查表或計算得出)，MPa。

　　若密封面上的實(shí)際工作比壓q滿(mǎn)足qMF<q<[q]，則密封可靠。[q]為密封面材料的許用比壓。

　　3.3、閥桿強度

　　閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，閥桿軸向力FFZ最大。

　　式中FT———閥桿與填料摩擦力，N；dF———閥桿直徑，mm———填料系數(查表)；bT———填料寬度，mm

　　閥桿壓應力σY為

　　式中AS———閥桿最小截面積，mm2閥桿壓應力σY滿(mǎn)足σY<[σY]為合格。[σ]為閥桿材料許用壓應力。閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，閥桿扭應力τN為

　　式中MF———關(guān)閉時(shí)閥桿總力矩，N·mm；RFM———關(guān)閉時(shí)閥桿螺紋摩擦半徑(查表)，mm；WS———閥桿最小解截面系數，mm3；閥桿扭應力τN；滿(mǎn)足τN<[τN]為合格。[τN]為閥桿材料許用扭應力。閥桿合成應力σΣ為

　　閥桿合成應力σΣ滿(mǎn)足σΣ<[σΣ]為合格。[σΣ]為閥桿材料許用合成應力。

　　3.4、螺栓強度

　　螺栓計算總載荷FLZ為

　　螺栓拉應力σL滿(mǎn)足σL<[σL]為合格。[σL]為螺栓許用拉應力。左閥體與右閥體連接螺栓和右閥體與閥蓋連接螺栓應滿(mǎn)足ASMEB16.34-2009中的相關(guān)要求。

4、結語(yǔ)

　　直流式截止閥以其流道通暢、不易沉積料等結構上的優(yōu)點(diǎn)，在煤化工和電解鋁行業(yè)中得到廣泛的應用。分體直流式截止閥還能廣泛用于礦冶、造紙和化工等行業(yè)類(lèi)似的工況中。正確的閥門(mén)結構設計，合理的閥門(mén)部件計算，才能保證閥門(mén)對特定工況的適應性。