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，在要求空分設備向更大型化方向發(fā)展的同時，也對配套設備的技術發(fā)展提出了新的要求。隨著國內(nèi)空分設備規(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，大型空分設備關鍵位置的閥門大都依賴進口，進口閥門價格偏高，是國產(chǎn)大型空分設備參與市場競爭的制約條件之一?？梢?，國內(nèi)企業(yè)開發(fā)研制出適合空分設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)設備制造能力和原有產(chǎn)品的基礎，研制了大型空分設備的部分配套閥門，為大型空分設備配套閥門國產(chǎn)化打下了基礎。
2 三偏心金屬硬密封蝶閥
三偏心蝶閥是蝶閥*一次較大的技術革新，以其*的結(jié)構(gòu)和*的性能被廣泛應用在石油化工等工藝設備中。目前，三偏心蝶閥在國內(nèi)大型空分設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，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)設計原理圖
2.2 空分設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，不能適應頻繁啟閉的切換場合。
空分設備配套用三偏心蝶閥利用三偏心原理設計，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置有導向襯套，閥桿的下部設置有無油潤滑平面軸承，用來減少轉(zhuǎn)動時的摩擦力。在閥桿底部還設有防吹出裝置。 大型空分設備配套的閥門具有專業(yè)性強、制造難度大的特點。隨著上空分設備的大型化,配套的空分設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與核心競爭力,還關系到空分設備的技術提升,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
國外公司設計制造的空分設備，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)空分設備上，目前采用的切換閥是在1980年初引進林德技術的基礎上設計的軟密封蝶閥，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20000m3/h等級以下空分設備的配套需求。而三偏心硬密封蝶閥正好彌補了軟密封蝶閥的不足，必將逐步應用在30000m3/h等級以上的大型空分設備分子篩純化系統(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備的能耗指標。而在之前，國產(chǎn)空分設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備的一些高壓差部位。
目前，杭氧工裝設計制造的三偏心硬密封蝶閥已逐步應用在上述場合，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備配套閥門中的幾種類型，隨著空分技術的不斷發(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，以適應空分技術的不斷發(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備工藝流程的需要，能否使成套空分設備穩(wěn)定、可靠地長周期運行。成功開發(fā)研制大型空分設備配套閥門，是空分設備穩(wěn)定運行的有力保證。與本文相關的論文有：油氣改革拉升閥門行業(yè)
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