圆顶阀设计.pdf

文章编号 100225855 2006 0320001204 作者简介张清双1971 - ,男,吉林榆树人,工程师,主要从事阀门新产品的开发及技术管理工作。 圆 顶 阀 设 计 张清双,纪立军 北京市阀门总厂有限责任公司 北京阀门研究所,北京 102600 摘要 阐述了圆顶阀的结构特点、工作原理及主要技术参数,介绍了其应用前景。 关键词 气封式结构;圆顶阀;设计;气力除灰 中图分类号 TH134 文献标识码 A The design of dome valve ZHANG Qing2shuang , J I Li2jun Beijing Valve MFG Combine Co. , Ltd. Beijing Valve Research Institute , Beijing 102600 China Abstract This paper introduces the structure characteristic , working principle and mainly technique parameter. At last , indicates it′s application prospect. Key words atmoseal structure ; dome valve ; design ; pneumatic transmission dust 1 概述 资源综合利用是我国经济建设中的一项重大技 术经济政策。粉煤灰是可以利用的资源。随着电力 工业的迅速发展,燃煤电厂排出的灰渣逐年增多, 灰渣处置费用不断增加,并占用大量土地。国家制 订了一系列鼓励资源综合利用的政策,并将粉煤灰 综合利用作为资源综合利用的突破口,提出了“贮 用结合,积极利用”的方针和“干灰干排,粗细分 排”和“灰渣分排”的原则。 粉煤灰用作水泥和混凝土的参合料,具有良好 的形态效应、活性效应和集料效应,对提高和改进 水泥及混凝土性能发挥了很好的作用。 随着粉煤灰综合利用的不断深入,加之人们对 环保的日益关注,以燃煤为主的火力发电厂由以往 单一的水力除灰逐渐向以仓式泵为主体的正压浓相 气力输送系统方向发展。因此,原有的水力除灰阀 门及通用阀门由于其自身结构特点的限制,并不能 很好地适应这一工况要求。气力除灰系统势必对阀 门的结构提出新的要求。 气力除灰系统以往采用通用球阀。由于粉煤灰 的高磨蚀性及其在100℃ 以上高温引起的热膨胀, 经常发生因热膨胀引起的阀瓣卡滞不动作或动作不 到位,造成阀门泄漏,磨损,使系统运行不正常。 当今世界气力除灰阀门居领先地位的是英国的克莱 德公司及芬兰的纽普兰公司的圆顶阀,在借鉴克莱 德公司及纽普兰公司的圆顶阀技术的基础上,设计 出气封式圆顶阀。 2 结构特点及工作原理 气封式圆顶阀图 1 的旋转阀瓣是一种以半 球体作阀瓣的球面圆顶,阀座采用压缩空气气封式 密封圈。气封式圆顶阀通常采用气动,主要用在气 固两相流管道上作关断或切换用。气封式圆顶阀在 开关过程中,阀瓣与橡胶密封圈之间保持有约 3 mm的间隙,使阀瓣与橡胶密封圈可以以无接触 的方式运动,目的是使阀瓣与橡胶密封圈之间不产 生摩擦,减少磨损,并且有效的降低了开关阀门的 力矩,而且就是在粉煤灰高温热膨胀时也不会发生 卡滞现象,从而提高阀门密封性能和使用寿命。 当气封式圆顶阀处于开启状态需要关闭时,阀 瓣在驱动装置的作用下转动90,阀瓣转到阀体内 部与通道连接的一侧,延时1～115 s ,气动装置凸 轮压下触动位置开关,并输出信号。电磁阀动作, 密封圈内开始输入012～013 MPa压缩空气压缩 空气的压力要比管道介质的压力大 , 使橡胶密封 圈在冲入的压缩空气作用下鼓胀并与阀瓣严密贴 紧,从而形成一个非常可靠的密封环带,产生一定 12006年第3期 阀 门 11 主阀体 21 左阀体 31O形圈 41 自润滑轴承 51 气动装置 61 橡胶密封圈 71 右阀体 81 阀瓣 91 密封垫 101 进气阀 图1 气封式圆顶阀结构 的密封比压,进而达到密封的目的。阻止了管道内 物料的流动,产生良好的密封效果,实现阀门关 闭。当阀门处于关闭状态需要开启时,橡胶密封圈 内的压缩空气必须先泄压排空到大气,橡胶密封圈 在自身的弹力作用下收缩并与阀瓣分离,延时1～ 115 s时间,阀瓣在气动装置的驱动下转动90,阀 瓣的球面圆顶转到阀体内部与通道垂直的一侧,阀 门开启。 气封式圆顶阀用于气动出料阀时,阀瓣旋转速 度必须迅速,尽可能地缩短阀瓣开启由小到大的时 间,减少磨损。 对用于负压气力输送系统的气封式圆顶阀,主 要考虑阀门启闭速度,以利快速排气,其密封圈的 充气压力只需012～013 MPa。而对用于正压气力 输送系统的气封式圆顶阀,由于在阀门前后存在压 力差,因此除需考虑阀门启闭速度外,还需考虑气 灰混合物气流在高压、高速和高浓度状态下对阀 座、阀瓣及密封圈的磨损。另外,密封圈的充气压 力与发送设备内压力有关。如果密封圈充气压力低 于发送设备内压力,则气封式圆顶阀将失去作用。 在阀门实现开启与关闭的往复过程中,阀瓣的 转动和橡胶密封圈冲入压缩空气以及橡胶密封圈内 压缩空气泄压排空到大气过程中的逻辑顺序,它们 之间的先后顺序及时间间隔均由可编程PLC机控 制表 1 。PLC控制系统实时监测系统的输送空 气压力及圆顶阀密封圈的密封压力按程序自动运 行,不需要运行人员干预,动作准确无误。 表1 圆顶阀阀瓣转动与橡胶密封圈充气的关系 阀门状态先后顺序时间间隔/ s逻辑顺序 开启橡胶密封圈泄压阀瓣转动901～115 关闭阀瓣转动90橡胶密封圈充气1～115 由可编程PLC机控制 密封圈充气体时,经验证明密封圈内充气压力 应大于密封圈外压力才能获得密封,这是因为气体 是可以压缩的,其容积模数小。 密封圈鼓胀至密封位置应满足一定的条件,① 密封圈内压力必须克服外表介质压力。② 密封圈内 压力必须克服橡胶的弹力。③ 密封圈内压力必须达 到密封力。④ 密封圈内充气压时,还必须克服气体 可压缩的力。 气封式圆顶阀的气动执行元件为全密封回转气 缸,直接驱动阀瓣转动,有效地防止了灰尘进入其 中造成磨损及泄漏现象的发生。 气封式圆顶阀的阀瓣根据使用场合的不同,采 用不同的材料,表面进行不同的硬化处理方式。利 用阀瓣光滑坚硬的表面,可保证与橡胶密封圈良好 地紧密接触以保证密封的可靠。橡胶密封圈采用特 殊配方的氟橡胶制成,具有耐高温、耐腐蚀、耐磨 损和耐老化等特点,使用寿命长。阀门开启时,料 口全流通无阻挡。 3 主要技术参数 气封式圆顶阀主要技术参数见表2。 表2 气封式圆顶阀主要技术参数 阀门公称尺寸mmDN150DN200DN225DN300 密封圈充气压力MPa012～013 设计压力/设计温度 MPa/℃ 017/ 200 工作压力/工作温度 MPa/℃ ≤013/ 150 控制 气源 气压MPa013～015 耗气量 m 3/ min 01036～0106 阀门输出扭矩 N mm 250 000～450 000 300 000～500 000 适用介质粉煤灰、 压缩空气 2 阀 门 2006年第3期 4 设计计算 411 阀体强度 由于气封式圆顶阀主要适用于物料输送的工况 场合,而物料输送系统的压力都不大于116 MPa , 故承压零件材料采用球墨铸铁,阀体强度按第一强 度理论计算。 SB 1132PD 2[δL] -112P C 式中 SB 考虑附加裕量的壁厚, mm P 设计压力常温下的最大允许工作压 力 , MPa Dn 阀体内腔的最大直径设计给定 , mm [δL] 材料的许用拉应力按文献[1 ] 表6 - 20 , MPa C 考虑铸造偏差、工艺性和流体的磨损 等因素的附加裕量根据经验一般取 3～6 mm ,也可参考表3选取 表3 附加裕量C值 SB-CCSB-CC ≤5521～302 6～104 301 11～203 412 阀杆强度校核 图2 阀杆强度校核 I - I断面处的扭转应力τN τN M W ≤[τN] 式中 M 总的转矩, Nmm W I - I断面处的抗扭断面系数, mm [τN] 材料的许用扭转应力按文献 [1]表6 - 41 , MPa 由于采用单键连接, I - I断面处的抗扭断面系 数W为 W πd13 16 - bt d 1- t 2 2d1 413 转矩计算 由于圆顶阀在开关的过程中密封副的摩擦转矩 为零,因此只需计算O形圈的摩擦转矩及滑动轴 承的摩擦转矩 M Mt Mc 式中 Mt 阀杆与O形圈的摩擦转矩, Nmm Mc 轴承的摩擦转矩, Nmm 阀杆与O形圈的摩擦转矩Mt为 Mt 1 2 πdF201330192 μ 0d0 P 式中 dF 阀杆直径, mm μ0 橡胶对金属的摩擦系数μ0≈013～ 014,有润滑油时,μ0 0115 d0 O形圈的横截面直径, mm P 计算压力通常取公称压力PN , MPa 轴承的摩擦转矩Mc为 图3 轴承计算 Mc π μcdFd12 8 P 式中 μc 摩擦系数材料为 F24时,μc 0105。填充F24时,μc 0108～ 0115。材料为尼龙时,μc 011～ 0115。填充尼龙时,μc 0132～ 0137 d1 滑动轴承的直径, mm 滑动轴承在工作中承受着较大的径向压力,轴 承设计时应使面压值或实际工作中的面压值小 于许用面压值[qc] ,即 qc [ qc] 设计面压值按一个轴承计算,受压面为轴承的 投影面积,即dFH,这样设计面压值为 qc πd12P 8dFH [ qc] 式中 H 轴承长度推荐H1～112 32006年第3期 阀 门 dF , mm [ qc] 许用面压值材料为F24时,端 面断开[ qc] 2014,端面封闭 [ qc] 3016。填 充F24时, [ qc] 5010。材料为尼龙时, [ qc] 46 , MPa 414 平键强度计算 平键受力主要从比压及剪切应力两方面计算 图 4 。 1 平键的比压P为 P 2T ndFKL ≤[ P] 式中 T 转矩 T M , Nmm n 键的个数 K 键高出阀杆部分高度图4 , mm L 键的工作长度, mm [P] 许用比压按表4选取 , MPa 图4 平键受力 2 平键剪切应力计算 平键的剪应力τ为 τ 2T nd1bL ≤[τ] 式中 [τ] 许用剪切应力按表4选取 , MPa b 键宽, mm 表4 平键连接的[ P]与[τ]值 许用值连接方式 轮毂 材料 载荷情况 平稳轻微冲击冲击 [P] 固定连接 钢125～150100～12060～90 铸铁70～8050～6030～45 导向连接钢504030 [τ]1209060 5 故障及排除方法 故障及排除方法见表5。 表5 故障分析及排除方法 故障原因排除方法 密封失效 有异物卡塞清除异物 密封圈失效,损坏更换密封圈 阀瓣磨损更换阀瓣 螺栓拧紧不均匀均匀拧紧螺栓 法兰接合面处有泄漏 法兰工作面损坏修复法兰工作面 石棉垫片损坏更换垫片 阀门无法打开或关闭 气压不足,漏气严重检修供气管路 气动元件失效更换易损件 6 安装与使用 ① 安装前应仔细核对阀门型号、通径及技术参 数。 ② 严禁装上阀门后施焊法兰,以免损坏阀门密 封圈。管道预留的阀门安装距离应适当,法兰两边 加垫片。 ③ 两管道中心与阀门通径中心应保持同轴,法 兰面应平整,不允许法兰面有较大的偏斜,以保证 阀门的夹紧和正常工作。拧紧螺栓应做到均匀对 称。 7 结语 圆顶阀在用于进料阀、出料阀、排气阀、管路 切换阀和库顶卸料阀等气力输送物料过程中,能够 有效的防止空气反串。工程实践经验表明该种柔性 软密封结构阀门密封效果以及使用寿命优于普通球 阀,有效地解决了气力输送系统因物料热膨胀发生 阀门卡滞现象及物料对密封圈的磨损及其阀门密封 不可靠和使用寿命短等一系列问题。圆顶阀在火力 发电厂气力除灰及钢厂除尘等工况中得到广泛应 用,因此有很好的市场前景。 参考文献 〔1〕 章华友,等.球阀设计与选用 〔M〕.北京科学技术出版 社, 1994. 〔2〕 中国动力工程学会.火力发电设备技术手册 第四卷 〔M〕. 北京机械工业出版社, 1998. 〔3〕 原永涛.火力发电厂气力除灰技术及其应用 〔M〕.北京 中国电力出版社, 1994. 〔4〕 崔功龙.燃煤发电厂粉煤灰气力输送系统 〔M〕.北京中 国电力出版社, 2005. 〔5〕 卢井冈,等.圆顶阀及其充气式柔性密封结构 〔J〕.阀门 2005 , 3 . 收稿日期 20061021 11 4 阀 门 2006年第3期