高温蝶阀阀轴连接键结构改造

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)咸阳职业技术学院 作者:袁亚

  重油催化裂化装置高温蝶阀是烟气轮机入口管线上控制高温烟气流量的重要设备,本文对高温蝶阀存在的问题进行了分析,并通过对高温蝶阀转轴与阀板的连接键进行结构改造,解决了高温蝶阀因阀板变形而导致的密封失效问题,节约了检修时间及费用。

1、高温蝶阀的作用

  重油催化裂化装置采用四机组配置,由电机/发电机、汽轮机、轴流风机和烟气轮机组成。烟气轮机利用再生高温烟气作为工作介质做功,将能量传递给轴流风机,多余的功用来发电,反之当功率不够时,则由同步电机补充。生产中四机组是根据反应-再生系统的需要适时改变供风量,在风量改变后,如果没有对烟气轮机入口高温蝶阀的开度作出相应的调整,会导致大量烟气从双动滑阀通过,从而造成发电量偏低,烟气轮机功率损失过大。

  高温蝶阀用于催化裂化能量回收装置,烟气轮机之前做为控制再生器的压力及通过烟气轮机烟气流量的调节阀,是用来调节烟气轮机入口管路系统通断及流量控制的部件,它是为催化裂化能量回收系统设计的,安装在烟气轮机的入口管线上通过它可以对能量回收机组的运行状态进行控制,并参与机组的自保,同时它和能量回收系统中的旁路阀共同对催化两器差压进行控制。与一般调节蝶阀的不同点主要在于高温蝶阀允许的泄漏量很低,设计上要求能够达到0.5/1000,而一般调节阀的泄漏量为3~5%。另外,当再生器发生二次燃烧或烟气轮机发生故障(如轴承温度过高,轴向位移过大等)时,通过危急控制系统,可紧急关闭蝶阀,避免事故的发生。

2、高温蝶阀工作原理

  高温蝶阀主要由执行机构、阀轴、阀板、限位装置、密封装置、电液控制装置组成。

  该高温蝶阀的执行是带液压站的液压与手动的两用传动系统,在高压齿轮油泵的作用下,液压油最终进入执行机构油缸,作用于油缸内部活塞,平衡单作用弹簧的推力,正常工作时,弹簧力和油压达到平衡状态蝶阀就达到静止状态。当蝶阀需要开启或闭合时,执行机构就将扭矩传递给阀轴,阀轴与阀板通过键连接,再将扭矩通过键的传递给阀板,这样就达到了烟气的调节目的。

3、问题及分析

  重油催化裂化装置四机组高温蝶阀在长时间运行后表现出来的问题主要有:①阀体本身动作不够灵活,油泵压力要达到比初始安装设计压力高很多才能动作;②蝶阀仪表控制系统电磁阀伺服阀在控制中经常出现电压不够的问题,从而使得信号与实际动作不连贯;③仪表给关闭信号后,阀体关闭不严,而且由于本身设计的传动机构限位问题,手动也无法达到设计要求的闭合状态。

  出现以上问题的原因可能有以下几个方面:①该阀执行机构完全关闭的状态下,该阀阀板密封间隙上下应均匀分布。但该阀采用水平安装调节使用,阀体因刚度差所引起的变形主要来自于蝶阀受自身重力和阀板阀轴、传动装置和附件重力作用产生变形,蝶阀水平安装阀体变形后与管路相连接,其变形得不到恢复保持下来。阀体变形后,阀体通道呈椭圆形,导致阀体密封圈与阀板密封圈不能均匀的接触。②该高温蝶阀靠蝶板控制管路内部的介质,在截断时,蝶板受高温介质的压力作用而产生变形,使蝶板的密封面与阀体密封面脱离,不能有效的起到密封效果。严重时,使阀板的转动受到卡阻,阀门不能正常工作。③介质高温烟气中含有大量催化剂粉尘、水蒸气,均会产生积聚。高温蝶阀在长期不动作时也可能造成阀门阻塞卡位。④该阀因仪表伺服阀经常出现供压不够,导致阀位调节系统无法控制阀板开关到位,使得阀体机械行程与信号的显示不一致。

  通过以上分析得出,该阀阀板密封被破坏,从而导致执行机构调整失效,造成蝶阀密封失效关闭不严。重油催化裂化装置烟气轮机在出现故障的情况下,高温蝶阀需要紧急关闭,以切断高温烟气,烟气轮机停车检修,四机组中的其它三机组可以照常运转,整个装置可继续运行不影响装置的正常生产,所以必须解决高温蝶阀的泄漏问题。

4、解决方案

  该高温蝶阀仪表伺服阀供电不足的问题在跟换配件后就能正常使用。主要问题是检修拆卸阀体后,发现液压执行机构在行程最大时,该阀阀板与密封面之间的还有60mm间隙。通过对阀体执行机构的解体分析,液压缸的最大行程有限定且不能进行更改,所以不能通过行程来调节阀板的最大运转角度以达到密封。经过研究,设计出了新型结构键来解决上述存在的较大间隙问题,并且经过强度校核计算,新型结构键能够满足机械强度设计要求和工艺要求。

  阀轴的主要作用就是在工艺需求和仪表信号的控制下按照一定的角度进行旋转,通过键的作用把扭矩传递给阀板以达到阀开度的要求。保持阀板对阀体的相对位置,阀轴要承受介质的作用力和传递驱动装置对蝶板的传动力,保证阀门的调节控制或截断功能。要改变键的结构来补偿阀板密封不到位的缺陷,必须先通确定键所需的补偿位置(补偿宽度)。如下:

高温蝶阀阀轴连接键结构改造

  由图1可以看出,执行机构运行至关闭位置时,阀板和密封面之间还有60mm的间隙,已知阀板传动轴的轴径为:d=Φ200mm;阀板直径为:Φ=2600mm。

  根据三角形相似定律可以推算出图2中偏键的尺寸:X=60×(100/1300)=4.6mm。

高温蝶阀阀轴连接键结构改造

  阀轴的作用是保持阀板对阀体的相对位置,而阀轴要承受介质的作用力和传递装置(即液压系统)对阀板的传动力,其中主要传递力来源于液压系统,在改造后,必须校核新型键是否能满足当前工艺系统的设计要求。选用45#钢作为键的材料,加工键的结构如图3所示。

高温蝶阀阀轴连接键结构改造

  ①高温蝶阀的技术参数:

  最大传动扭矩:T=450kg·m=450×9.8N·m=4410N·m=4410000N·mm

  键料:45#钢

  ②键的参数:

  轴的直径:d=200mm

  键的宽度:b=28mm

  键的高度:h=16mm

  键的长度:L=168mm

  结构改造后键的最小宽度为b1=b-x=28-4.6=23.4mm

  键的受力(式中:m传递的扭矩N·mm):

F=2m/d=2×4410000/200=44100N

  ③剪切应力和挤压应力的强度校核:

  选取45号钢作为键的材料,因该键属于轻微冲击,可得:普通平键联结钢材料的许用挤压应力在轻微冲击载荷下为[σp]=100~120,钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58,所以[τ]的范围是58~69.6。

  普通平键连接的挤压强度条件是:σp=4T/dhl≤[σp](式中l为键的工作长度,即l=L-b=168-28=140mm)。所以σp=4T/dhl=4×4410000/200×16×140=39.38<[σp]。

  普通平键连接工作时,键的侧面受到挤压,同时受到剪切作用。通常情况下,挤压破坏是主要的失效形式,一般情况下只需要进行挤压强度效核。但因为该键的结构发生变化,所以我们也必须进行平键的剪切强度效核:

  普通平键连接的剪切强度条件是:τ=Fs/A=F/b1l≤[τ]

τ=Fs/A=F/b1l=44100/23.4×140=13.46<[τ]

  结论:所选材料和改变结构后的键强度足够。

  经过校核后,改造的键能满足蝶阀传动机构的设计要求。在传递扭矩的过程中不会因为载荷过大造成键工作状态的破坏,可以应用于该蝶阀的传动机构上。

5、日常维护

  为确保烟气能量回收系统的可靠性,彻底消除设备故障,可以通过以下维护检验来加强高温蝶阀的日常管理。①高温蝶阀系统压力高,工作环境苛刻,比例伺服阀等精密部件的维护十分关键,最好利用检修机会对油路的密封元进行检查更换,专业人员对油路进行清洗,油泵检修,滤芯更换,蓄能器进行更换等。对控制卡件和电仪元件进行检测,确保正常使用。②因为高温蝶阀工作环境苛刻,所以要蝶阀要定期进行活动检查,以不影响烟气量为宜,开度最好掌握在85%-100%,可以防止阀体卡塞或发现蝶阀故障。③做好日常巡检及检修记录,对于切换油泵、泄漏、更换配件、阀的开度调节等做好记录,通过这些可以分析阀体在出现故障时的问题所在,能对症下药及时解决问题。④因为蝶阀工作温度比较高、粉尘多,所以要做好转动部件的润滑工作,确保因机械部件磨损造成阀体动作失灵。

6、运行效果

  通过转轴连接键的改造,解决了高温蝶阀因阀板变形而导致的密封失效问题,且在最大程度上节约了检修时间和费用。经过长时间的运行,该高温蝶阀工作平稳,运行情况良好,其阀板的密封效果十分良好,满足装置正常运行需求。

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