高温蝶阀的结构设计.pdf

文章编号 100225855 2008 0320011202 作者简介吴尖斌1971 - ,男,安徽黄山人,高级工程师,从事阀门的设计与研发工作。 高温蝶阀的结构设计 吴尖斌,苏荆攀 浙江石化阀门有限公司,浙江 温州325024 摘要 介绍了一种新型高温蝶阀的结构设计特点和工作原理,论述了其在高温工况下使用的 性能。 关键词 高温蝶阀;五杆式;结构 中图分类号 TH134 文献标识码 A Structure and design of high temperature butterfly valve WU Jian2bin , SU Jing2pan Zhejiang Petrochemical Valve Co. , L TD. Wenzhou 325024 , China Abstract The article introduces a new structure of high temperature butterfly valve , and introduces its application perance in high temperature service. Key words high temperature butterfly valve ; five pole ; structure 1 概述 蝶阀以其开关速度快,制造成本低,占用安装 空间小的特点得到广泛的应用。但是,蝶阀受其结 构的影响,在高温工况下,特别是在650℃ 以上的 高温工况下,材料受热膨胀,在开启或关闭时,容 易卡住。本文探讨一种适用于650℃ 以上高温工况 下的新型五杆式偏摆连杆蝶阀。 11 液压执行机构 21 阀杆 31 调节杆 41 套杆 51 驱动杆 61 边杆 71 固定杆 81 蝶板 91 阀体 图1 五杆式偏摆连杆结构蝶阀 2 结构设计 在炼油厂催化装置的烟机入口处,工作温度为 780℃,短时为850℃,工作介质为含有颗粒状催 化剂的高温石油气。由于该处的介质温度高且含有 112008年第3期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 固体颗粒,故用普通的双偏心或三偏心硬密封蝶 阀,在高温时由于热膨胀原因,容易将蝶板卡住, 无法开启。根据实际工况,设计了新型五杆式偏摆 连杆结构的蝶阀图 1 。该阀驱动杆通过轴套和 键与阀杆组装成一体,随阀杆的转动而摆动。套杆 和调节杆通过轴套固为一体或是直接制成一个整 体,并空套在阀杆外圆上。边杆通过销轴与固定杆 和套杆铰接。当阀杆在驱动装置的带动下进行旋 转,驱动杆和套杆绕阀杆中心线旋转。由于驱动 杆、套杆和边杆的联合动作,再带动固定杆动作, 使蝶板的密封面先平移地脱离阀体的密封面其平 移过程密封面没有摩擦 , 后发生旋转,使阀门由 关闭状态到开启状态图 2 。 图2 蝶板启闭过程 3 性能及特点 1采用五杆式偏摆连杆结构,能够防止由于 温度升高而使蝶板密封面径向尺寸受热胀大,从而 发生蝶板与阀体之间出现卡塞现象。有效地解决了 蝶阀的高温热膨胀咬合问题。 2为了提高阀杆内件的高温强度,阀门的阀 杆、连杆、销、键和螺栓等均选用高温合金钢。阀 体和蝶板选用CF10M ZG1Cr17Ni14Mo2 ,该材 质可耐温816℃,铸造及焊接工艺性均良好,且价 格适中。阀体和蝶板的密封面均堆焊钴铬钨硬质合 金,加工后焊层厚度 ≥116mm ,可保证在高温下 密封面有一定硬度而不会受损。 3阀杆和导套之间在高温下要进行旋转运 动,一般奥氏体不锈钢和合金钢在780℃ 时表面硬 度 ≤140HB ,这个硬度在受力情况下相互摩擦极易 咬伤,所以阀杆和导套的相互摩擦部位,均堆焊 STL硬质合金。在780℃ 时, STL硬度约38 HRC , 防止了阀杆动作的卡塞现象。 4在上、下阀杆导套内设计了吹扫孔。氮气 或蒸汽从吹扫口进入阀杆和导套配合间隙处,防止 固体催化剂微粒进入阀杆与阀体的缝隙内。 5密封面之间没有摩擦,高温下密封效果 好,使用寿命长。 4 设计计算 阀体壁厚SB按第一强度理论计算。 SB pD 213 [σL]-p C 式中 SB 考虑腐蚀裕量后阀体最小壁厚, mm D 阀体中腔最大内径,根据结构需要选 定, mm p 最高使用压力,按压力温度等级选 取, MPa [σL] 材料的许用拉应力, MPa C 考虑铸造、焊接偏差、工艺性和介质 腐蚀等因素而附加的裕量, mm 驱动扭矩MZ为 MZM1MZCMTM2 式中 MZ 阀门开启时的驱动力矩, Nm M1 阀门开启介质力矩, Nm M1 π 4 D12PL P 阀门开启时蝶板两侧的压力差, MPa L 传动轴与蝶板中心线的距离, m D1 密封面的直径, mm MZC 阀杆与轴套间产生的摩擦力矩, Nmm MZC π 8 D12pfzdQJ fZ 轴承摩擦系数fZ 0105～01 1 dQJ 与轴套配合 的 轴 径,设 计 给 定, mm MT 填料的摩擦力矩, Nm MTQT dF 2 下转第18页 21 阀 门 2008年第3期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 方法。深冷处理可使材料预先进行马氏体转变,以 保证在使用中的组织稳定性。深冷处理一般在零件 的精加工之前进行。深冷处理的温度应以材料的 Ms点为依据。材料不同, Ms点各异。即使是同 一牌号的材料,由于批次或炉号的不同,其 Ms点也各不相同,而且差别很大。有的在超低温 范围的上限附近即可产生马氏体转变。 马氏体的转变量随温度的降低而增加,为确保 工件在使用过程中的组织稳定性,深冷处理所用介 质的温度需等于或低于阀门工作温度。深冷处理的 冷却介质多采用液氮或液氦等溶液。可根据阀门使 用温度来确定。浸在深冷介质中的零件达到介质温 度介质表面所冒气泡完全消失时,即可计算保 冷时间。根据实践经验,保冷1～2h即能达到处理 目的。时间过长,对马氏体的转变无明显影响。保 冷结束即可将零件取出在空气中放冷至常温。 经过一次深冷处理后,奥氏体不锈钢的马氏体 转变基本完成,一般情况下可以满足使用要求。对 于密封性要求较严或靠介质压力密封的超低温止回 阀,可增加深冷处理的次数。 5 结语 奥氏体不锈钢是理想的超低温阀门用钢,尤其 是在- 196℃ 以下,奥氏体不锈钢几乎是唯一可以 选用的超低温阀门用钢。为避免在使用过程中发生 马氏体转变,建议在设计时选择奥氏体组织更加稳 定的不锈钢。对于亚稳型不锈钢,应采用深冷处理 使其预先完成马氏体转变,以达到使用中的组织稳 定。 参考文献 〔1〕 达道安.空间低温技术 〔M〕.北京宇航出版社, 1991. 〔2〕 杨瑞成,邓文怀,冯辉霞.工程设计中材料选择与应用 〔M〕.北京化学工业出版社, 2004. 〔3〕 高宗仁.简明不锈钢使用手册 〔M〕.太原山西科技出版 社, 2003. 〔4〕 肖纪美.不锈钢的金属学问题 〔M〕.北京冶金工业出版 社, 1983. 〔5〕 陈国邦.低温下奥氏体不锈钢的马氏体转变 〔J〕.低温工 程, 1992 1 . 〔6〕 都丸久男著,张文治译.日本阀门铸件的现状和问题 〔J〕. 阀门, 1984 3 . 〔7〕 ASTM A182/ A182M - 2005 ,高温用锻制或轧制合金钢法 兰、锻制管件、阀门和部件 〔S〕. 收稿日期 20071121 28 上接第12页 QT 阀杆与填料的摩擦力, N QTΨdFbTp dF 阀杆直径, mm M2 各铰轴间的摩擦力矩, Nm 因M2在总力矩中所占比例很小,可以忽 略。 5 结语 五杆式偏摆连杆结构蝶阀解决了蝶阀在高 温状况下出现的因热胀而卡死的现象。有效地 解决了蝶阀在高温下的密封问题。随着新材 料、新工艺和新结构不断发展,该阀将在冶 金、石化等行业的高温管道上发挥其更大的作 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〕 洪勉成,等.阀门设计计算手册 〔M〕.北京中国 标准出版社, 1994. 收稿日期 20071121 27 上接第14页 n1n 2 弹簧自由高度H0为 H0nt 115d。 式中 t 弹簧节距, mm 5 结语 液控止回蝶阀采用了升降式重锤结构和机 械电磁联合锁定机构后减少了安装空间,阀门 结构紧凑,安装维护方便。阀门开启后,仅一 个电磁铁供电,电流消耗很小。油泵和电磁阀 等液压元件无需频繁动作,延长了使用寿命。 该阀不仅具有止回阀的功能,能消除水锤保护 水泵及管网系统安全,而且具有蝶阀或闸 阀的功能,能将管道介质完全截断,降低了 各种成本和运行费用。当公称尺寸 DN1 400 时更能体现出其良好的性能和优点。 参考文献 〔1〕 杨源泉 1 阀门设计手册 〔M〕1 北京机械工业出版 社, 1992. 〔2〕 陆培文 1 阀门选用手册 〔M〕1 北京机械工业出版 社, 2001. 收稿日期 20071091 27 81 阀 门 2008年第3期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.