上海申弘閥門有限公司
1 引言
冶金、化工及煤化工等行業(yè)的快速發(fā)展，在要求空分設(shè)備向更大型化方向發(fā)展的同時，也對配套設(shè)備的技術(shù)發(fā)展提出了新的要求。隨著國內(nèi)空分設(shè)備規(guī)模不斷大型化，對配套的調(diào)節(jié)閥也不斷提出新的技術(shù)要求：閥門口徑從中小口徑向大口徑發(fā)展；同時，由于大型空分設(shè)備內(nèi)壓縮流程的發(fā)展，低溫閥門及氧管道用閥門由低壓向中高壓發(fā)展，對密封性能的要求也在逐漸提高。目前，大型空分設(shè)備關(guān)鍵位置的閥門大都依賴進口，進口閥門價格偏高，是國產(chǎn)大型空分設(shè)備參與市場競爭的制約條件之一。可見，國內(nèi)企業(yè)開發(fā)研制出適合空分設(shè)備新工藝流程的閥門已迫在眉睫。杭州杭氧工裝泵閥有限公司（以下簡稱：杭氧工裝）作為國內(nèi)低溫閥門的專業(yè)生產(chǎn)廠家，根據(jù)自身的生產(chǎn)設(shè)備制造能力和原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)，研制了大型空分設(shè)備的部分配套閥門，為大型空分設(shè)備配套閥門國產(chǎn)化打下了基礎(chǔ)。
2 三偏心金屬硬密封蝶閥
三偏心蝶閥是蝶閥*一次較大的技術(shù)革新，以其*的結(jié)構(gòu)和*的性能被廣泛應(yīng)用在石油化工等工藝設(shè)備中。目前，三偏心蝶閥在國內(nèi)大型空分設(shè)備上的使用還是處于起步階段，并且大都依賴進口。杭氧工裝經(jīng)過幾年的努力，開發(fā)了三偏心硬密封蝶閥，其主要技術(shù)參數(shù)：口徑DN100～DN600mm、壓力PN6～PN63MPa、溫度-196℃～200℃。
2.1 三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)及原理
蝶閥的三偏心結(jié)構(gòu)密封副形式為圓錐斜切錐面形。其蝶板為圓錐斜切而得，結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如圖1所示。圓錐半錐角為β，3個偏心分別為：蝶板回心面偏心a、蝶板回轉(zhuǎn)中心相對于流道中心的徑向偏心e以及圓錐軸線相對于流道中心線的角度偏心γ。通常蝶閥為單偏心或雙偏心結(jié)構(gòu)，單偏心結(jié)構(gòu)是設(shè)計時將對稱軸中的閥門軸中心線偏離密封面中心線；雙偏心結(jié)構(gòu)是設(shè)計時將單偏心結(jié)構(gòu)中的閥門軸中心線再偏離閥體中心線。三偏心是在雙偏心的基礎(chǔ)上增加了第三個偏心———斜錐。這一*的偏心組合不僅利用了原有的凸輪效應(yīng)，而且由于蝶板密封面轉(zhuǎn)動時其運動軌跡的切線與閥座密封面形成一定的角度，使得蝶閥啟閉時蝶板密封面相對閥座密封面漸出脫離和漸入壓緊，從而*消除了90°的密封效果；閥門的接觸角大于鎖定錐度范圍，從幾何形狀上排除了卡死的可能性，從而確保閥門開關(guān)所需扭矩在閥門使用年限內(nèi)不會產(chǎn)生很大的變化。
圖1 三偏心蝶閥蝶板結(jié)構(gòu)設(shè)計原理圖
2.2 空分設(shè)備配套用三偏心硬密封蝶閥特點
通用的三偏心蝶閥已在國內(nèi)大量生產(chǎn)，但三偏心蝶閥現(xiàn)有技術(shù)中，三偏心硬密封蝶閥所使用的密封圈大多采用多層軟硬疊片結(jié)構(gòu)形式，它存在以下缺點：①當閥門在打開狀態(tài)時，介質(zhì)對其密封面形成正面沖刷，金屬片夾層中的軟密封帶受沖刷后，容易損壞并直接影響密封性能；②頻繁啟閉會導致軟密封部分先損壞，密封失效，使用壽命不長；③超低溫下軟密封容易變形，夾層之間線脹系數(shù)不一，使密封容易失效。所以，多層軟硬疊片式密封圈中的軟夾層不能用于超低溫（-196℃）和壓力（壓差）較高場合，不能適應(yīng)頻繁啟閉的切換場合。
空分設(shè)備配套用三偏心蝶閥利用三偏心原理設(shè)計，采用金屬硬密封結(jié)構(gòu)，閥座采用堆焊司太萊合金，密封圈采用整體雙相不銹鋼材料。在結(jié)構(gòu)上，閥桿與閥體之間還設(shè)置有導向襯套，閥桿的下部設(shè)置有無油潤滑平面軸承，用來減少轉(zhuǎn)動時的摩擦力。在閥桿底部還設(shè)有防吹出裝置。 大型空分設(shè)備配套的閥門具有專業(yè)性強、制造難度大的特點。隨著上空分設(shè)備的大型化,配套的空分設(shè)備用閥門也從中小口徑向大口徑(DN1600)發(fā)展；再者,由于大型空分設(shè)備逐步向內(nèi)壓縮流程發(fā)展,氣體產(chǎn)品壓力等級的提高,對空分配套閥門提出了從低壓到高壓的要求。開發(fā)大型空分配套用超低溫三偏心硬密封蝶閥可以加快空分設(shè)備配套部機國產(chǎn)化的步伐,不僅可以提高自己的核心技術(shù)與核心競爭力,還關(guān)系到空分設(shè)備的技術(shù)提升,具有極其重要的意義。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。
2.3 三偏心蝶閥在空分設(shè)備上的使用
論文根據(jù)大型空分配套場合的工藝特點,對超低溫三偏心硬密封蝶閥進行理論研究。分析三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu),得出密封面外輪廓線的方程,并對截面長軸與圓錐母線構(gòu)成的夾角進行分析,從而導出三個偏心之間的函數(shù)關(guān)系,并對閥門的干涉進行進一步研究,開發(fā)了快速驗證程序。研究了超低溫使用場合的材料、工藝處理及三偏心蝶閥閥體、密封圈的加工工藝,開發(fā)了相應(yīng)的工裝夾具。分析了三偏心蝶閥的力學性能,并結(jié)合軸的扭矩進行建模和仿真。試制了超低溫三偏心硬概述三偏心硬密封蝶閥近幾年發(fā)展很快,其密封圈從早期的多層結(jié)構(gòu)發(fā)展到密封效果更好,使用壽命更長的整體式金屬結(jié)構(gòu)。2結(jié)構(gòu)特點三偏心蝶閥(圖1)密封圈一般采用多層結(jié)構(gòu)(圖2,帶夾層或不帶夾層),其單層厚度僅2～3mm,從而具備了一定的彈性,但這種結(jié)構(gòu)也存在缺陷。①多層之間不易實現(xiàn)緊密貼合。②由于硬密封蝶閥需要較大的力矩才能實現(xiàn)氣泡級密封,而單層厚度較薄,雖然容易實現(xiàn)密封,但層與層之間容易發(fā)生翹曲。③雖然采用的是多層結(jié)構(gòu),但真正起密封作用的只有其中一層。因此,針對一些要求苛刻的工況,采用了整體密封圈結(jié)構(gòu)。雖然整體密封圈在一定程度上降低了彈性,但提升了閥門的使用壽命,在循環(huán)動作上千次的情況下仍能保持較好的密封性能。3受力分析從密封圈的受力分析(圖3)可以看出,無論是圖3密封圈受力不均多層密封圈,還是整體密封圈都存在密封圈周邊受力不均和變形不均的問題,從而影響密封性。因為密封圈周邊相對支承邊伸出的長度不同(類似于懸臂長度不相等),
2.3.1 分子篩純化系統(tǒng)切換閥
國外公司設(shè)計制造的空分設(shè)備，其分子篩純化系統(tǒng)切換閥采用的大都為三偏心硬密封蝶閥或是分子篩純化系統(tǒng)三桿閥，兩種類型的閥門都具有耐磨損、抗腐蝕、使用壽命長和密封效果好的優(yōu)點，大大提高了分子篩純化系統(tǒng)切換系統(tǒng)的使用壽命與可靠性。而在國產(chǎn)空分設(shè)備上，目前采用的切換閥是在1980年初引進林德技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計的軟密封蝶閥，已經(jīng)有近30年的歷史。這種軟密封蝶閥優(yōu)點為自密封性強、流向不限等，在一定程度上受到用戶認可。但這種軟密封蝶閥在性能上不僅使分子篩高溫再生（290℃）受到限制，使分子篩的性能得不到*化；而且需周期性更換密封圈，給現(xiàn)場維護增加一定的工作量，往往只能適應(yīng)20000m3/h等級以下空分設(shè)備的配套需求。而三偏心硬密封蝶閥正好彌補了軟密封蝶閥的不足，必將逐步應(yīng)用在30000m3/h等級以上的大型空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)切換系統(tǒng)中。
2.3.2 膨脹機系統(tǒng)進出口閥
三偏心硬密封蝶閥的耐磨損、使用壽命長和密封效果好等優(yōu)點使其廣泛用于國外空分設(shè)備的膨脹機系統(tǒng)；而且，由于蝶閥的阻力系數(shù)小，通過的壓降較小，可以降低系統(tǒng)的壓力損失，這在一定程度上降低了空分設(shè)備的能耗指標。而在之前，國產(chǎn)空分設(shè)備在這些膨脹機系統(tǒng)進出口大都采用低溫截止閥，低溫截止閥的流通阻力遠遠大于蝶閥的流通阻力，使消耗在閥門上的壓降增加。
2.3.3 低溫流程泵系統(tǒng)進出口閥
與膨脹機系統(tǒng)相同，三偏心硬密封蝶閥用于低溫流程泵系統(tǒng)，主要是因為其在深冷工況下具有密封性好、耐磨性好與流阻小的優(yōu)點。尤其是泵的入口，較小的阻力可以更好地保證泵的吸入壓頭。
另外，由于三偏心硬密封蝶閥采用硬密封，還可以使用在空分設(shè)備的一些高壓差部位。
目前，杭氧工裝設(shè)計制造的三偏心硬密封蝶閥已逐步應(yīng)用在上述場合，尤其在膨脹機系統(tǒng)的進出口位置，像成鋼梅塞爾20000m3/h、盈德日照60000m3/h等空分設(shè)備，并得到了用戶的認可。但也存在不盡人意之處，如在低溫流程泵系統(tǒng)，由于介質(zhì)溫度為-196℃，受材料線脹系數(shù)影響，閥門出現(xiàn)密封不穩(wěn)定的現(xiàn)象。另外，由于檢測設(shè)備的局限性，密封圈的互換通用性受到一定的局限，這給批量生產(chǎn)帶來一定影響。
5 結(jié)束語
上述內(nèi)容僅介紹了大型空分設(shè)備配套閥門中的幾種類型，隨著空分技術(shù)的不斷發(fā)展，還將有其他規(guī)格的閥門需求和一些自動控制等方面更高的要求，這需要在閥門成套過程中不斷進行摸索，以適應(yīng)空分技術(shù)的不斷發(fā)展。在調(diào)節(jié)閥質(zhì)量和水平的終體現(xiàn)是能否滿足成套空分設(shè)備工藝流程的需要，能否使成套空分設(shè)備穩(wěn)定、可靠地長周期運行。成功開發(fā)研制大型空分設(shè)備配套閥門，是空分設(shè)備穩(wěn)定運行的有力保證。與本文相關(guān)的論文有：油氣改革拉升閥門行業(yè)
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