高密封管道切换圆顶阀的研制
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摘 要：本圆顶阀综合考虑了两个因素，从结构和材料的耐磨性上进行了专门设计，专用于电厂粉煤灰气力输送系统，有效地防止输送空气反串，减少阀内密封面的磨损。工程实践经验表明，该种柔性密封结构阀门使用寿命以及密封效果远好于普通球阀，有效地解决了气力流体系统工况中阀门因温度引起的密封圈变形、密封不可靠和使用寿命短等一系列问题。
关键词：密封结构 密封材料 研制
中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（b）-0068-03
在圆顶阀的研发设计方面，国内一些大专院校和相关企业，以及其它一些科研单位在对国内一些主要电厂所使用的这种阀门的种类、失效方式等进行广泛调研、对具有代表性的阀门进行解剖分析的基础上进行了一系列的研发工作。当前，国外多个知名大公司具有生产此类阀门的技术能力，也实现了对市场的高额占有率，主要有英国的Clyde，但由于国内煤质的特殊状况，使用效果不佳，寿命低。可靠性高，耐用性好，维护方便、经济，将是未来气动圆顶阀设计的主要发展方向。
1 主要研究内容
研究1：产品采用组合式密封结构，提高了阀门的密封性能。
研究2：采用改性橡胶材料密封圈，密封圈可迅速回弹恢复形状，降低与阀门的摩擦面积，提高密封圈的使用寿命。
研究3：提高阀体流道表面、密封面的耐磨、抗冲蚀性能、抗高温氧化性。
研究4：设计了一种专用组合夹具，只需一次装夹就可以完成几道工序的加工，减少了积累误差，保证了产品质量。
2 技术解决方案
2.1 组合式密封结构设计
密封性是燃煤电厂输灰阀门好与坏的重要标准。为了防止被阻流的介质沿着阀门推拉杆进入气缸，造成气缸内部的腐蚀及堵塞，从而影响阀门的正常使用，因此，必须做到良好的密封。
通常，输灰阀门的密封由密封圈与阀门推拉杆过盈配合来实现，但这种密封方法在高温、高压介质的工况下，很容易造成介质泄漏而导致密封失效，而且需要经常更换密封圈，使得阀门的维护成本上升，这些问题一直困扰着使用者。
组合式密封结构见图1，其特征在于包括填料压板（1）填料压套（2）;四层盘根（3）;防尘圈（4）;联接件（5）;密封圈（6）;弹簧（7）;中间环（8）;阀座（9）;阀门推拉杆（10）。中间环（8）与联接件（5）螺栓连接，联接件（5）与阀门推拉杆（10）间隙配合，阀座（9）与中间环（8）螺栓连接，阀座（9）与防尘圈（4）螺栓连接，四层盘根（3）与阀门推拉杆（10）过盈配合，填料压套（2）与阀门推拉杆（10）间隙配合，填料压板（1）与阀门推拉杆（10）间隙配合，弹簧（7）空套在阀门推拉杆（10）上，密封圈（6）与阀门推拉杆（10）过盈配合。
结构可以保证用于密封的盘根不仅强度高，耐热耐腐蚀，抗冲刷，且摩擦系数低，自润滑性能好，而且具有很高的柔性、回弹能力和浮动性能，柔性石墨和聚四氟乙烯的混合填料，显著提高了盘根的抗剪切、抗拉性能，且有利于产生迷宫效应。四层盘根与两次密封圈的组合使用，大幅提高了阀门的密封性能，气缸腐蚀及卡死现象大大减少，提高了使用寿命，节省了维护成本。
2.2 改性橡胶密封圈材料
为了保证气动圆顶阀的正常工作，既能实现良好的密封性，又能减少阀芯与橡胶密封圈之间的不必要磨损，必须设计有效合理结构和装置来完成自动控制功能。气动圆顶阀的关断是由一个球形阀芯和一个充气的橡胶密封圈来实现的，阀芯是一个球面圆顶，在开关过程中，阀芯与橡胶密封圈间保持有约0.4～0.6mm的间隙，使阀芯与橡胶密封圈可以以无接触的方式运动，目的是使阀芯与橡胶密封圈之间不产生摩擦，减少磨损。气动执行元件为双作用直线气缸，通过转臂驱动圆顶阀阀芯转动。当圆顶阀处于关闭状态时，橡胶密封圈充气，膨胀紧紧地压在球面圆顶阀芯上，从而形成一个非常可靠的密封环带，阻止了管道内物料的流动。其包括3个状态：（1）常态：阀芯处于关闭位置时，转臂上的调整螺钉压住二位三通机控滑阀的顶杆，气源对密封圈供气，压力表显示出作用在密封圈上的压力。（2）打开状态：直线气缸开始动作的瞬间，转臂上的调整螺钉脱离二位三通机控滑阀的顶杆，其密封圈内的空气从排气孔中排出，此时阀芯开始转动。为达到阀芯转动过程中阀芯与密封圈之间不接触的目的，在密封圈的进气口处加装一只快速排气阀，使密封圈内的空气从快速排气阀的排气孔中直接快速排出。（3）关闭状态：在关闭的指令下，气缸开始反向动作，阀芯反向转动，当转至关闭状态时，转臂上的调整螺钉压住二位三通机控滑阀的顶杆，气源对密封圈供气。
目前，国内外作为火电除灰系统气动圆顶阀中的密封圈多数采用丁腈橡胶材料（NBR）密封圈，氟橡胶（VITON）或乙丙胶（EPDM）作为主要材料。丁腈橡胶具有良好的耐磨性能和耐热老化性能，但它的力学性能不好，抗拉强度较低，回弹能力较差，普通丁腈橡胶的耐温性也不是很好。氢化丁晴胶（HNBR）为丁晴胶中經由氢化后去除部份双链，经氢化后其耐高温性（可达150℃）、耐候性比一般丁晴橡胶提高很多，耐油性与一般丁晴胶相近，较丁晴胶拥有较佳的抗磨性、抗蚀、抗张、抗撕和压缩性;氟橡胶具有良好的耐高温性能（可达250℃），但其在高温下的抗拉强度较低。乙丙胶由乙烯及丙烯共聚合而成，因此耐热性、耐老化性、耐臭氧性、安定性均非常优秀，一般使用温度为（50℃～150℃），但其抗张、抗撕较之氢化丁腈较差，回弹能力极差。上述材料不能同时具有优良的综合性能，仍有很大的提高空间。 密封圈是圆顶阀的关键部件。阀门无论在静态的工作条件下，还是动态的开关过程中，密封圈都会在一定程度上出现老化或磨损现象。因此，由于抗撕裂性、弹性、耐磨性、耐高温性等性能的不足，在早期损坏的阀门中，密封件的损坏，占有较大的比重。密封圈性能的提升，需要通过对密封圈材料和制造工艺的改进来实现。
由于阀门工作过程需要承受最高200℃的高温，一般橡胶材料难以满足要求，综合考虑工作条件使用要求，产品采用氢化丁腈橡膠作为主要材料，并辅以其他特殊材料及工艺进行生产，具有很好的运动性能，同时具有很高的耐磨性和耐高温特性，是密封圈的理想材料。
该密封圈通过在卡持部设置有卡槽，以及在吸盘部内部设置有储油的环形通道，在使用时，阀门的机械结构与卡槽嵌合，并挤压卡槽，使得吸盘部与阀门吸附固定，在松开后回弹迅速恢复形状，并通过环形通道将油料挤出进行润滑降低摩擦力，防止密封圈磨损，因此具有不易磨损、回弹能力好和受用寿命长的优点，另外将氢化丁腈、聚丙烯纤维、乳胶粉和改性生胶制成粘度高的胶液，混合由硫酸钙晶须、氧化锌、炭黑、植物纤维粉末、硫磺和生石灰制成的填料，再结合纤维素醚、沥青、溴代异氰酸酯、防老剂4.4'一双（2.2-二甲基苄基）二苯胺、硫化剂二硫化苯并噻唑和软化剂石蜡，提高了改性橡胶材料密封圈的韧性和抗拉性能，在使用时受到挤压能够对与阀门吸附固定，可减缓冲击力，移除挤压力后，密封圈可迅速回弹恢复形状，并且降低与阀门的摩擦面积，使得密封圈的使用寿命得到延长。
2.3 耐磨阀体流道结构
针对燃煤电厂所用的煤质，由于采购区域煤质成份不同，其含杂质不同，煤矸石含量高的煤，燃烧不完全，颗粒大（冲刷强）、硬度高（造成阀门密封部位极易磨损）。一般材质及经热处理的材料其硬度达不到要求，有些甚至低于煤矸石的硬度，极易受冲蚀，造成阀门使用寿命短。国外多个知名大公司具有生产同类阀门的技术能力，同时也实现了对市场的高额占有率，其中主要有英国的Clyde、日本的Kitz、瑞士的ABB、芬兰的PNEUPLAN和德国的KSB等，但由于国内火电用煤质的情况特殊，其产品“水土不服”，使用效果不佳，寿命较低。
阀体流道表面涂覆有聚氨酯层，阀体流道内设置有耐磨护环，耐磨环材料根据使用工况条件，采用硬质合金、氧化锆基耐磨陶瓷、氧化铝基耐磨陶瓷、碳化硅基耐磨陶瓷、莫来石基耐磨陶瓷、氧化硅基耐磨陶瓷等材料，提高耐磨、抗冲蚀性能、抗高温氧化性。
2.4 根据阀芯自身的结构特点专门设计的专用组合夹具
本夹具包括箱体座、转动圆盘、前定位块、后定位块、夹具体、调节螺母、阀芯顶紧块、止转块、可换支撑块、横向距离微调导槽、纵向距离微调导槽、阶梯轴、横向凹槽、纵向凹槽、横向距离粗调孔、纵向距离粗调孔、固定螺栓、螺母、垫片。本发明适用于加工整体式圆顶阀半球面阀芯，并采用复合加工中心专用组合夹具实现快速装夹定位。将半球面阀芯十字型凸台放置于夹具体顶部半球面上的十字型凹槽内，利用调节螺母将阀芯顶紧块顶紧阀芯两侧的圆柱形凸台，并用前后定位块卡紧两侧的圆柱型凸台，夹具体和定位块都固定在转动圆盘上，当转动圆盘通过止转块固定在箱体座上，对阀芯两侧圆柱型凸台两端面进行铣削，对预制毛坯孔镗孔，将止转块去掉后，驱动装置带动转动圆盘旋转，进行阀芯半球面的精加工。本方法是根据阀芯自身的结构特点专门设计的专用组合夹具，只需一次装夹就可以完成几道工序的加工，减少了积累误差，保证了产品质量，降低了成本，适用于圆顶阀半球面阀芯的批量生产。
3 结语
物料气力输送系统由于其封闭性，具有很强的环境保护功能。同时系统简单，可任意改变其输送方向等优点，在现代工业中得到了广泛的应用，主要用于燃煤电厂的飞灰处理及各种物料的输送，也可以用于水泥、化工、塑料、粮食和食品等行业的输送。其特点是：全密封输送，无任何泄漏，对环境无污染，系统工作可靠性强，全部自动化无人控制，运行成本低，是一种理想的输送设备，对环境保护有重要作用。气力输送系统具有传统机械输送所不具备的优越性能，因而愈来愈受到各行各业的重视，成为实际应用中较理想的输送方式，市场前景广阔。
参考文献
[1] 万宇杰，熊顺源，童幸生.阀门密封面表面处理技术的探讨与展望[J].江汉大学学报：自然科学版，2004，32（4） ：81–85.
[2] 吕瑞典.化工设备密封技术[M].北京：石油工业出版社，2006.
[3] 曾晓雁.表面工程学[M].北京：机械工业出版社，2003.
[4] 屠大燕.流体力学与流体机械[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.
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