前言
近幾年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，蝶閥的使用已從低壓供水?dāng)U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。而且口徑越來越大，性能要求更高，使用壽命要求更長。當(dāng)前，國內(nèi)外生產(chǎn)的蝶閥大多數(shù)為橡膠密封和塑料密封，容易磨損和老化，達不到設(shè)備連續(xù)運行周期。以空分為例，當(dāng)今以深冷分離原理為主的空分設(shè)備，其流程都采用分子篩預(yù)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，我公司開發(fā)研制了連桿增力式金屬平面密封氣動蝶閥系列。這種新型蝶閥已獲得國家實用型專利(專利號為：ZL 97 2 24037.3)。
2 金屬平面密封氣動蝶閥的特點
(1)采用杠桿式啟閉結(jié)構(gòu)，使密封副間相對滑動很小，減小相對磨損。
(2)執(zhí)行機構(gòu)采用連桿增力機構(gòu)。這種機構(gòu)在蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，驅(qū)動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(jié)構(gòu)，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。
(4)關(guān)鍵部件進行了優(yōu)化設(shè)計，使總的閥門啟閉次數(shù)可以達到1×106次以上。
(5)該閥的控制系統(tǒng)采用非接觸式電磁舌簧開關(guān)，不受環(huán)境條件限制，而且信號靈敏，準確性高，可以實現(xiàn)遠程遙控，氣動控制和自動控制，與設(shè)備配套時也可以實現(xiàn)無人操作。
3 結(jié)構(gòu)及工作原理
3.1 杠桿式啟閉結(jié)構(gòu)
杠桿式啟閉結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)?shù)y關(guān)閉時，主軸與杠桿用錐銷緊固，繞O點按逆時針旋轉(zhuǎn)，杠桿用帶孔銷帶動蝶板AB，由壓縮彈簧推動蝶板固定在杠桿的支點N上，隨主軸杠桿的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。當(dāng)?shù)迳隙薆與閥體密封面全部接觸而達到密封。開啟過程正好相反。在啟閉過程中，密封副間相對滑動很小，減小相對磨損。在關(guān)閉狀態(tài)為軸向壓力密封，改變傳統(tǒng)的外力擠壓密封。
3.2 連桿增力式執(zhí)行機構(gòu)
連桿增力式執(zhí)行機構(gòu)如圖2所示，活塞在氣源壓力的作用下向右移動，活塞桿帶動力臂于箱體內(nèi)滑動，連桿牽動搖桿順時針轉(zhuǎn)動，輸出扭矩。而連桿與搖桿長度(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(cè)向推力F，分力P牽動搖桿轉(zhuǎn)動，根據(jù)力的分析可知：
P=Q/cosα α=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(dāng)β=0°、α=90°時(蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài))，驅(qū)動裝置輸出最大扭矩，而在啟閉過程中的扭矩較小。此特性在曲線上恰好包容了蝶閥操作扭矩曲線，滿足蝶閥在關(guān)閉或開啟狀態(tài)時所需的密封力矩。
3 平面密封結(jié)構(gòu)
過去的氣動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，其密封過盈量不能任意調(diào)整，密封性能取決于密封材料的過盈量，因此，設(shè)計中選擇密封材料及其過盈量就顯得十分重要。在工作中，特別是在分子篩預(yù)凈化流程中，切換閥工作在10～200℃范圍內(nèi)，采用橡膠密封圈時，橡膠的線性膨脹系數(shù)很大，受溫度變化影響大，過盈量很難準確確定。如果過盈量大，不但增大摩擦力，而且時常出現(xiàn)“啃邊”和“翻舌”現(xiàn)象，使密封失效，過盈量小則出現(xiàn)泄漏。即使過盈量選擇合理，而這種閥門切換頻繁，經(jīng)過一段時間運行后還會因磨損而失效。假如采用非橡膠密封材料，據(jù)目前資料所知，它們的彈性變形很小，徑向密封過盈很難控制，制造相當(dāng)復(fù)雜，成本很高。同時對橡膠密封材料來說，溫度的不斷變化，使橡膠密封圈因溫度疲勞破壞而造成過早老化，對于大型空分設(shè)備配備的大口徑氣動蝶閥，更換密封圈就十分困難。
新型密封氣動蝶閥則采用金屬平面密封結(jié)構(gòu)，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℃之間可以長期使用，因此，使用壽命比橡膠密封大得多。
由于閥板的運動機構(gòu)采用杠桿形式，當(dāng)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(dāng)于凸輪機構(gòu)，如果主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，那么閥板向前繼續(xù)平移達到力的平衡，有工作介質(zhì)壓力時，還能實現(xiàn)自密封，保證了密封可靠性。當(dāng)整個密封面磨損后，還具有自動補償密封磨損量的特性，從而延長了使用壽命。
由于該閥門采用合理的結(jié)構(gòu)，其使用性能比國內(nèi)其它閥門好，已經(jīng)能夠取代國外同類產(chǎn)品。
4 試驗結(jié)果及應(yīng)用情況
我公司于1997年4月首先研制成功PN1.0MPa DN300氣動蝶閥，并進行了性能指標試驗和模擬現(xiàn)場工況試驗，結(jié)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；開啟次數(shù)：1500次(要求1000次/a)；動作啟閉時間：10s。
4.2 模擬現(xiàn)場工況試驗
氣源壓力：0.4MPa；管道壓力：0.7MPa；介質(zhì)溫度：150℃；開啟次數(shù)：8000次(要求1000次/a)；動作啟閉時間：10s；泄漏量：8000次試運行后，作氣密性試驗其泄漏量為零。
經(jīng)過試驗后，對各個部件進行檢查，主密封面無磨損痕跡，執(zhí)行機構(gòu)的運動部件及閥內(nèi)運動部件完好無損，且整體動作靈活，運行可靠。目前，這種閥門已經(jīng)系列化，可以與大中小型空分設(shè)備配套使用。
此后，我們又開發(fā)出PN1.0MPa DN400蝶閥，于1997年12月在長治鋼廠六千空分設(shè)備上使用，性能良好，深受用戶好評。
為了適應(yīng)小型高純氮設(shè)備流程需要，我們又組織開發(fā)了PN1.6MPa DN150和DN200蝶閥，也被用戶選用。
針對我公司為天津鐵廠提供1.5萬大型空分設(shè)備，1997年10月又組織開發(fā)了PN1.0MPa DN500和DN600蝶閥，于1998年6月20日在天鐵1.5萬空分設(shè)備上正式使用，至今運行良好，得到用戶的依賴。最近，魯南化工廠1.6萬空分設(shè)備所配套DN500 DN600閥門也將開始運行。它的成功應(yīng)用標志著高壓力、大口徑的金屬硬密封蝶閥長期依賴進口的歷史已經(jīng)結(jié)束，同時也填補了國內(nèi)大口徑金屬硬密封蝶閥的應(yīng)用空白。
通過實際應(yīng)用，各項設(shè)計指標均達到要求，滿足空分設(shè)備工藝流程的要求，該產(chǎn)品已經(jīng)供給用戶使用。目前，我公司這種閥門主要是為空分設(shè)備配套，自1997年投產(chǎn)以來，已經(jīng)生產(chǎn)DN200～DN600不同規(guī)格閥門100多臺，供應(yīng)國內(nèi)市場，另外還出口到印尼20多臺也在運行當(dāng)中。
金屬平面密封氣動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為大口徑蝶閥，采用這種氣動閥門既能滿足密封性能的要求，又能防火保證輸送的安全性，而且中間維修少，價格低，是最理想的配套產(chǎn)品。由此可見，金屬平面密封氣動蝶閥今后必將取代國內(nèi)外同類產(chǎn)品，成為市場主導(dǎo)產(chǎn)品，具有廣闊的發(fā)展前景。
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