分体直流式金属密封截止阀的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海神通企业发展有限公司 作者:施伟明

1、概述

  目前国内煤化工装置中用于输送煤浆(包括黑水、灰水等)的阀门,或电解铝生产装置用于输送料浆的阀门,均采用球阀或整体结构的直流式截止阀。由于此类阀门的阀座不可拆卸更换,且表面硬化困难,普遍存在耐冲蚀性能差,易出现内漏和结疤严重等问题。当阀门发生故障时,需要整机维修或更换,影响生产,维护成本高。根据系统装置的特殊要求,设计了分体直流式金属密封截止阀,为煤化工和电解铝装置用阀门提供了更好的选择。

2、结构特点

  分体直流式金属密封截止阀主要由左阀体、右阀体、可更换阀座、保护衬套、阀瓣、阀瓣盖、阀杆、阀盖、填料、防转板、执行机构等零部件组成(图1)。由于阀门输送的介质为固液混合物,且固体颗粒硬度高,流速快,压力高,静止时沉积结垢,所以阀门要具备耐高压,耐冲蚀,耐磨损,防结疤等性能。经过分析,对阀门结构进行了优化设计。

  (1)阀门采用直流式结构,阀门全开时,通道呈流线型,压力损失小,流阻系数接近于同类型闸阀

分体直流式金属密封截止阀

1.左阀体 2.右阀体 3.可更换阀座 4.保护衬套 5.阀瓣 6.阀瓣盖 7.阀杆 8.阀盖 9.填料 10.防转板 11.执行机构

图1 分体直流式金属密封截止阀

  (2)阀体采用分体式结构(根据工况的需要可进行阀体内表面硬化处理),阀座采用可更换结构(此结构特别有助于阀座的表面硬化),阀座上下分别设计有特殊密封结构。通过左右阀体的连接螺栓锁紧,形成了左右阀体的密封,此结构不仅装配简单方便,也有利于阀门清理和维护。

  (3)阀座内壁和阀瓣外表面均进行表面硬化处理,阀座和阀瓣所有与介质接触的拐角处均倒圆角,不仅有利于表面硬化处理,而且增加了耐冲蚀性。使用时根据不同介质的实际情况,采取不同的方式进行表面硬化处理,以得到不同的表面硬度(>70HRC、60~70HRC、50~60HRC或<50HRC等)。

  (4)由于阀门微开启时介质流速非常快,对右阀体内壁靠近密封面的一段区域内的冲蚀相当严重,所以在该部位镶有保护衬套,衬套内壁同样进行表面硬化处理,强化了易损件的耐冲刷性能,提高了阀门整体的使用寿命。

  (5)阀杆和阀瓣均采用防转式设计,阀杆上部与支架之间安装有防转板,阀瓣与阀杆头部采用方形连接,阀门启闭时阀杆和阀瓣只作升降运动,不作回转运动,既避免了阀杆运动时与相关零件的磨损,又避免了阀瓣启闭瞬间密封面之间的摩擦,减小了阀瓣开启受到介质冲击时回转而引起的阀门不稳定性和相接触零部件之间的磨损。

  (6)阀瓣和阀座密封面采用球面对锥面的结构,阀瓣密封面为球面,阀座密封面为锥面(图2),有利于密封面自动对准吻合。

阀座密封面

图2 阀座密封面

3、主要参数设计计算

  3.1、壳体壁厚及流道

  壳体壁厚按ASMEB16.34-2009规定的最小壁厚的基本公式计算。阀门流道最小内径按ASMEB16.34-2009规定最小流道直径的90%选取。

  3.2、密封比压

  阀门的密封比压q为

阀门的密封比压

  式中q———验算的实际比压,MPa;FMZ———密封面上总作用力;FMJ———密封面上介质作用力,N;DMW———密封面外径,mm;DMN———密封面内径,mm;bM———密封面宽度,mm;p———计算压力(取p=PN),MPa;FMF———密封面上轴向密封力,N;fM———密封面摩擦系数(查表);α———密封面锥半角,(°);qMF———密封面上必须比压(查表或计算得出),MPa。

  若密封面上的实际工作比压q满足qMF<q<[q],则密封可靠。[q]为密封面材料的许用比压。

  3.3、阀杆强度

  阀门关闭时,阀杆轴向力FFZ最大。

阀杆轴向力FFZ

  式中FT———阀杆与填料摩擦力,N;dF———阀杆直径,mm———填料系数(查表);bT———填料宽度,mm

  阀杆压应力σY为

阀杆压应力

  式中AS———阀杆最小截面积,mm2阀杆压应力σY满足σY<[σY]为合格。[σ]为阀杆材料许用压应力。阀门关闭时,阀杆扭应力τN为

阀杆扭应力

  式中MF———关闭时阀杆总力矩,N·mm;RFM———关闭时阀杆螺纹摩擦半径(查表),mm;WS———阀杆最小解截面系数,mm3;阀杆扭应力τN;满足τN<[τN]为合格。[τN]为阀杆材料许用扭应力。阀杆合成应力σΣ为

阀杆合成应力

  阀杆合成应力σΣ满足σΣ<[σΣ]为合格。[σΣ]为阀杆材料许用合成应力。

  3.4、螺栓强度

  螺栓计算总载荷FLZ为

螺栓计算总载荷

  螺栓拉应力σL满足σL<[σL]为合格。[σL]为螺栓许用拉应力。左阀体与右阀体连接螺栓和右阀体与阀盖连接螺栓应满足ASMEB16.34-2009中的相关要求。

分体直流式金属密封截止阀的设计

4、结语

  直流式截止阀以其流道通畅、不易沉积料等结构上的优点,在煤化工和电解铝行业中得到广泛的应用。分体直流式截止阀还能广泛用于矿冶、造纸和化工等行业类似的工况中。正确的阀门结构设计,合理的阀门部件计算,才能保证阀门对特定工况的适应性。

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