颗粒介质用多向密封盘切阀的设计与开发.pdf

文章编号10025855 2010 05002003 作者简介 王玉成 1977- , 男, 工程师, 从事阀门设计工作。 颗粒介质用多向密封盘切阀的设计与开发 王玉成, 孙爱军 上海开维喜阀门集团, 上海 201416 摘要 介绍了粉料、颗粒及浆料等颗粒介质输送管线用阀门的特点。分析了高温、高硬度和 高速度气固双相混合物冲击的复杂性和阀门的频繁启闭过程。针对工业生产长期稳定和阀门安装 位置不受限制及多向密封的要求, 提出了耐高温、耐磨蚀和长寿命颗粒介质用多向密封盘切阀的 新型结构和设计方法。 关键词 颗粒介质用阀; 粉尘; 浆料; 耐磨; 密封; 多阀盘; 盘切阀 中图分类号 TH134 文献标识码A Design and development ofmultidirectional seal disc valve for powdermedia WANG Yucheng,SUN A ijun SHK V alve G roup Co . ,L td,Shanghai201416,China Abstract Introduces the characteristics of valves used for delivery pipelines for pow dermedia such as powder ,grain or slurry;analyses com plex ity of i m pact from gasso lid t w o phase m ixtures w ith high te m perature ,high hardness and high speed ;specific to the dem ands for longter m stability for industry production ,unli m ited valve installation position andmulti directional sea, lproposesnew structure and design ulti directional seal disc valve for powderm edia w ith the characteristics of H igh te m perature resistance ,abrasion resistance and long serv ice life. Key words valve for pow derm edia;powder ;slurry;abrasion resistance ;sea; ldisc valve 1 概述 在管线输送各种粉料、颗粒及浆料等粒状介质 工况系统中, 管线用阀门的开启次数频繁 30 60次 /h, 每天工作 6 8h 。粉料、颗粒及浆料等 介质的高硬度 60 65HRC 高速冲击特性加剧 了阀门的磨损。在输送介质为 200 600 的气态 或固态双相酸性混合物时, 对于阀门在变化的温差 下的密封性能提出了更为苛刻的要求。同时,工艺 管线的复杂性又要求阀门为水平方向或竖直方向乃 至多方向安装,没有方向性的限制。传统的常规阀 门如果用在此复杂工况下,使用寿命达不到要求, 且多项功能无法实现。多向密封盘切阀以其耐高 温、耐磨损、长寿命和多向安装的特性,适应了粉 料、颗粒及浆料等颗粒状介质传输系统对阀门的多 重功能要求, 满足了化学工业生产的需求。该产品 现已申请专利 专利申请号2010201945639。 2 结构 多向密封盘切阀设计原理如图 1 。工作过程中, 执行器带动驱动器旋转约 1/4圈驱动阀盘 图 2。 运动中阀盘密封面在弹性元件的作用下一直紧贴着 阀座。弹性元件可以使阀盘垂直运动, 同时补偿阀 门的热胀与冷缩, 克服背压,防止粉料、颗粒、浆 料等介质进入密封面。阀盘在介质中的转动会不断 清洁和抛光金属密封面。这种独特的自抛光金属密 封设计, 使阀门能在恶劣工况下反复进行严密关闭, 而密封面越来越光洁, 密封面性能越用越好。 因为粉料、颗粒及浆料等工艺介质多为酸性, 阀体材料采用 ASTM A182 F304全锻焊结构,既消 除了铸件常有的夹渣、气孔及砂眼等缺陷,完善了 材质的力学性能,同时又满足了酸性介质对主体材 质的腐蚀性要求。对于受力部件的阀杆材料, 采用 了 ASTM A182 FXM- 19 抗拉强度高达 690MPa 20 阀 门 2010年第 5期 高强度奥氏体不锈钢, 其力学性能为普通奥氏体不 锈钢 抗拉强度约为 515 MPa 的 13倍,大大强 化了承压件的力学性能,同时完全满足介质的腐蚀 性要求。阀座与阀盘均采用新型多元硬质合金材 料, 该种材料具有极高的硬度,可达 80 85 HRC, 耐磨性好,抗腐蚀性强,完全能够承受高硬度粉 料、颗粒及浆料等介质的高速反复冲击,能够长期 保持稳定可靠的密封性能。 采用对称多阀盘多阀座结构图 3, 无论介 质流向如何改变, 均能保证严密可靠的密封。采用 复合焊接复合喷涂技术不但有效解决了任何可能的 间隙泄漏问题,而且阀门安装没有方向性的限制, 使其成为多向安装和多向密封阀门。 图 3 多向密封盘切阀 阀盘与阀座采用可调整结构, 沿阀杆轴向方向 形成稳定的可调整的金属硬密封, 同时使多元硬质 合金硬密封副经过特殊硬化处理,有一定的硬度 差, 防止相同硬度状态下相互刮伤。这样, 即使坚 硬的介质粉粒进入密封面, 亦会被高硬度的整体烧 结多元硬质合金轻易地研碎,再由阀盘阀座之间的 旋转运动排出密封面, 从而保护阀门密封面,延长 了阀门的使用寿命。复合阀座与阀盘绕着同一个轴 线各自旋转, 却不受其他任何因素的影响, 它们之 间的旋转运动可以不断地自抛光密封面,同时也起 到自清洁的作用,可以防止颗粒介质进入密封面。 阀体内腔采用整体喷涂多元硬质合金,整体硬度 68HRC, 全面提升了阀门的耐冲蚀性能。 由于粉料的长期作用,阀门内件各接合面会有 粉状颗粒吸附其中, 严重延缓阀门动作性能, 同时 也加大了执行机构的能量消耗。在阀门中腔对称的 接入两个高压吹扫口,利用高压空气或者氮气对积 聚在阀门内部的粉尘进行清理,完全避免吹扫死 角,提高阀门的灵敏度, 保证阀门动作的可靠性。 3 设计计算 盘切阀设计中必须全面综合考虑高温、高压和 高硬度固体颗粒粉料高速冲击下的整体工艺性能, 为装置的安全持续生产提供有力的保障。所以, 对 于阀门的相关重要受力零部件均进行严格的力学分 析与计算, 对于阀体、阀盘和阀杆的强度,执行机 构启闭力矩, 密封副密封比压等分别计算。首先要 保证承压壳体具有足够的强度, 根据 AS ME B1634 的规定计算壳体壁厚 或者采用查表插入法求取, 不小于 AS ME B1634中表 3 的规 定,以 NPS6 , C lass600圆盘阀为例, 壳体壁厚取为 12mm。 31 阀盘 阀盘是盘切阀受力的重要零件,直接承受高 温、高压和高硬度颗粒粉料的复杂作用, 阀盘应具 有足够的强度和刚性, 合适的阀盘厚度 t ,保证管 线工艺性能的实施图 4 ,图 5。 t QFZ/ 314d [ ] 式中 t 阀盘计算厚度 取 t 10,mm QFZ 阀盘轴向载荷,N d 阀盘内孔口尺寸,mm [ ] 阀盘许用应力,MPa 32 阀杆 阀杆是盘切阀的传动部件。执行机构的动作输 出通过阀杆传递至阀盘, 从而实现阀门的启闭及各 项工艺性能。阀杆受到执行机构的推动作用, 同时 承受阀盘输出的摩擦力及密封填料的摩擦力等作用 图 6 ,图 7。 21 2010年第 5期 阀 门 d∀ M1 M2/ [ ] 1/3 式中 d∀ 阀杆计算直径 d∀ 110,mm M1 填料阀杆之间摩擦力矩,Nmm M1 41P L DN 2 M2 密封部位力矩,Nmm M2 12∃ 314PN2HZ d∀ P 阀门工作压力 P 10,MPa DN 阀门公称尺寸 DN 150,mm L 阀杆与阀盘中心的距离 L 300, mm 1 密封面摩擦系数1 04 2 阀杆填料间摩擦系数 2 02 H 单圈填料高度 H 10mm ,mm Z 填料总圈数 Z 6 [ ] 阀杆许用应力[ ] 120, MPa 4 高温磨损试验 对于恶劣工况条件下的特殊用途阀门,尤其是 550 的高硬度粉料或颗粒浆料在高压气体的高速 冲刷下,对于阀门零部件的损害非常严重,因此必 须严格保证阀门的工艺性能。我公司生产的盘切阀 检验要求远高于 API 598标准, 不但通过了常规的 液压强度和密封实验,而且增加了高压氮气强度和 密封试验, 还进行了苛刻的耐磨耐高温实验 使 用高硬度高温气固双相硅粉颗粒, 在完全模拟现实 工况的试验装置上, 进行高温磨损实验并对性能试 验数据作出对比分析表 1 、表 2。试验结果证 明,盘切阀强度和密封试验符合 API 598标准相应 要求, 对阀门泄漏量具有更严格的规定, 充分保证 装置的安全 图 8 , 图 9。 表 1 液压强度和密封试验对比分析 NPS6, Class600 试验项目试验标准试验介质试验压力 M Pa试验时间 s泄漏量气泡 /m in 强度 A PI598水11600 实际要求水111200 密封 A PI598氮气066024 实际要求氮气111200 表 2 高温磨损试验对比分析 NPS6 , Class600 要求条件 试验介质硅粉 氮气 试验温度 /552553550549553549546551554556 试验压力 /M Pa1 21118116117120118119122120121 开关数次 1 0002 0004 0006 0008 00010 00012 00015 00018 00020 000 机械磨损伤痕无无无无无4道痕5道痕5道痕7道痕9道痕 实际密封性能 气泡 /m in00000456812 A PI598密封性能 气泡 /m in24242424242424242424 5 结语 多向密封盘切阀以其独特的自抛光工作原理, 新颖的弹性密封结构,尤其是在高温、高压和高硬 度的粉料和颗粒浆料等介质管线中的特性,解决了 阀门的磨损密封和使用寿命等问题, 提供了稳定可 靠长周期的工艺性能,发挥着日益重要的作用。 参考文献 1 杨源泉. 阀门设计手册M .北京机械工业出版社, 1992. 2 刘仁家, 陶性华. 机械设计师手册 M . 北京 机械工业 出版社,1992 . 3 P.I .kattan 德 ,M atlab 有限元分析与应用M . 北 京 清华大学出版社,2004 . 4 孙桓, 陈作模.机械原理 M . 北京 高等教育出版社, 1996. 5 徐秉业. 弹塑性力学及其应用 M. 北京 机械工业出版 社,1992. 6 赵九江. 材料力学 M . 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版 社,1998. 收稿日期201005 31 22 阀 门 2010年第 5期