偏心蝶閥分析計算及在冶金系統(tǒng)的應用

一、前言

　　我國原有的高爐系統(tǒng)閥門由于受高爐規(guī)模的影響，系統(tǒng)中管道的公稱通徑大都比較小，高爐系統(tǒng)中應用的閥門大多數(shù)采用豎型閘閥產(chǎn)品。該產(chǎn)品的體積大，質量大，安裝和密封效果等都不是很理想。目前，隨著煉鐵高爐的大型化的逐漸深入，以及節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，高爐系統(tǒng)的管道通徑在逐漸加大。為此，豎型閘閥產(chǎn)品在一些大型高爐的部分工況中將不再適合生產(chǎn)的需要;隨之取代的是體積小，質量輕，扭矩小，安裝方便快捷，操作簡單且密封可靠的蝶閥產(chǎn)品。

二、偏心蝶閥的使用

　　偏心蝶閥在煉鐵高爐中得到了廣泛應用，適用于冶金、礦山、水泥、醫(yī)藥、化工、發(fā)電及城市供熱等行業(yè)的高溫氣體(煙氣、空氣、煤氣等)管路系統(tǒng)，作為啟閉設備使用。驅動方式有液壓驅動及電動驅動兩種。在煉鐵高爐中主要安裝在余熱利用系統(tǒng)、干法除塵系統(tǒng)和煤氣管網(wǎng)，在公稱通徑較大、工作壓力和啟閉壓差較低、溫度較高(200～350℃)的工況條件下應用。

　　由于在冶金系統(tǒng)管路中大部分為高溫(≥200℃)氣體介質，針對此而開發(fā)和研制了密封副為全金屬的硬密封蝶閥，如圖1所示，即金屬硬密封偏心蝶閥。此種蝶閥采用面與面接觸，由于密封副的材料選取為金屬，因此偏心蝶閥的使用溫度可以在400℃以上。但是，由于密封副為全金屬材料，所以蝶閥的密封泄漏率很難達到標準的A級(蝶閥性能理想狀態(tài))，一般在C級左右。另外，由于金屬密封副材料的選取不過關，在高溫情況下，金屬的彈性很容易失去。所以，在使用一段時間后，閥門的泄漏率明顯加大，不能保證閥門的密封性能，從而大大降低了閥門的使用壽命。

圖1 金屬硬密封偏心蝶閥

　　復合材料的硬密封偏心蝶閥解決了此種難題，如圖2所示。此種偏心蝶閥的密封副為多層次復合材料，是由金屬材料和非金屬材料復合而成，具有耐高溫(≤500℃)、耐老化、高溫下具有良好的彈性等優(yōu)點。尤其是中間的非金屬夾層能夠使密封副的密封產(chǎn)生梯級密封形式，經(jīng)過長期使用，仍能保持良好、可靠的高溫使用效果，從而增強了閥門的密封性能，延長了閥門的使用壽命，在冶金高爐的各個系統(tǒng)得到了廣泛的應用。

　　由于多層次復合材料硬密封偏心蝶閥的應用條件，大部分為高溫狀態(tài)下的常開或常關的閥門狀態(tài)。在閥門常開的狀態(tài)下，介質對閥板的高壓側長時間沖刷，若多層次復合密封副安裝在閥板上，則密封副受損嚴重，在閥門關閉狀態(tài)時極易造成閥門在此處的局部泄漏，從而影響閥門使用性能。因此，應將多層次復合密封副安裝在閥體上，這樣多層次復合密封副受介質沖刷均勻，同時在閥板與多層次復合密封副結合處堆焊硬質合金，避免了上述問題的發(fā)生。此種結構的蝶閥，被廣泛應用到冶金高爐的各高溫系統(tǒng)。

圖2 復合材料硬密封偏心蝶閥

三、偏心蝶閥分析計算

1.偏心蝶閥的力矩計算

　　偏心金屬硬密封蝶閥的啟閉力矩包括二次偏心力矩、閥門開啟瞬間閥板、密封副間的摩擦力矩、閥軸與軸套的摩擦力矩、閥軸與填料的摩擦力矩(見下表)。

偏心蝶閥的力矩計算表

　　注：閥軸與填料的摩擦力矩為閥軸單側的摩擦力矩，如果閥軸兩側均有填料，MT需乘以2。

2.閥體、閥板的剛度有限元分析

　　因蝶閥在高爐系統(tǒng)中的密封性能非常重要，所以在蝶閥的主體零部件設計過程中，剛度是非常重要的，它是閥門正常使用、壽命長短的重要考核指標。因此，在設計的過程中，要對閥體、閥板進行有限元分析。通過模擬現(xiàn)場工作壓力和工作溫度獲得的應力和應變值，對設計進行指導，如圖3、圖4所示。

(a)應變

(b)應力

圖3 閥板應力應變分布

(a)應變

(b)應力

圖4 閥體應力應變分布

四、結語

　　偏心金屬硬密封蝶閥的結構緊湊，零部件少，體積小，重量輕，耐高溫，啟閉靈活，在長期的工作狀態(tài)下可實現(xiàn)零泄漏，有效地提高了閥門的使用壽命，降低了所需動力，節(jié)約了成本。另外，隨著節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，高爐余壓將會被越來越多的再回收利用，偏心蝶閥作為余壓利用高爐操作系統(tǒng)的一個閥門會得到更加廣泛的應用。