偏心蝶阀分析计算及在冶金系统的应用

    一、前言

    我国原有的高炉系统阀门由于受高炉规模的影响，系统中管道的公称通径大都比较小，高炉系统中应用的阀门大多数采用竖型闸阀产品。该产品的体积大，质量大，安装和密封效果等都不是很理想。目前，随着炼铁高炉的大型化的逐渐深入，以及节能环保事业的发展，高炉系统的管道通径在逐渐加大。为此，竖型闸阀产品在一些大型高炉的部分工况中将不再适合生产的需要；随之取代的是体积小，质量轻，扭矩小，安装方便快捷，操作简单且密封可靠的蝶阀产品。

    二、偏心蝶阀的使用

    偏心蝶阀在炼铁高炉中得到了广泛应用，适用于冶金、矿山、水泥、医药、化工、发电及城市供热等行业的高温气体（烟气、空气、煤气等）管路系统，作为启闭设备使用。驱动方式有液压驱动及电动驱动两种。在炼铁高炉中主要安装在余热利用系统、干法除尘系统和煤气管网，在公称通径较大、工作压力和启闭压差较低、温度较高（200～350℃）的工况条件下应用。

    由于在冶金系统管路中大部分为高温（≥200℃）气体介质，针对此而开发和研制了密封副为全金属的硬密封蝶阀，如图1所示，即金属硬密封偏心蝶阀。此种蝶阀采用面与面接触，由于密封副的材料选取为金属，因此偏心蝶阀的使用温度可以在400℃以上。但是，由于密封副为全金属材料，所以蝶阀的密封泄漏率很难达到标准的A级（蝶阀性能理想状态），一般在C级左右。另外，由于金属密封副材料的选取不过关，在高温情况下，金属的弹性很容易失去。所以，在使用一段时间后，阀门的泄漏率明显加大，不能保证阀门的密封性能，从而大大降低了阀门的使用寿命。

图1 金属硬密封偏心蝶阀

    复合材料的硬密封偏心蝶阀解决了此种难题，如图2所示。此种偏心蝶阀的密封副为多层次复合材料，是由金属材料和非金属材料复合而成，具有耐高温（≤500℃）、耐老化、高温下具有良好的弹性等优点。尤其是中间的非金属夹层能够使密封副的密封产生梯级密封形式，经过长期使用，仍能保持良好、可靠的高温使用效果，从而增强了阀门的密封性能，延长了阀门的使用寿命，在冶金高炉的各个系统得到了广泛的应用。

    由于多层次复合材料硬密封偏心蝶阀的应用条件，大部分为高温状态下的常开或常关的阀门状态。在阀门常开的状态下，介质对阀板的高压侧长时间冲刷，若多层次复合密封副安装在阀板上，则密封副受损严重，在阀门关闭状态时极易造成阀门在此处的局部泄漏，从而影响阀门使用性能。因此，应将多层次复合密封副安装在阀体上，这样多层次复合密封副受介质冲刷均匀，同时在阀板与多层次复合密封副结合处堆焊硬质合金，避免了上述问题的发生。此种结构的蝶阀，被广泛应用到冶金高炉的各高温系统。

图2 复合材料硬密封偏心蝶阀

 ♂

    三、偏心蝶阀分析计算

    1.偏心蝶阀的力矩计算

    偏心金属硬密封蝶阀的启闭力矩包括二次偏心力矩、阀门开启瞬间阀板、密封副间的摩擦力矩、阀轴与轴套的摩擦力矩、阀轴与填料的摩擦力矩（见下表）。

偏心蝶阀的力矩计算表

    注：阀轴与填料的摩擦力矩为阀轴单侧的摩擦力矩，如果阀轴两侧均有填料，MT需乘以2。

    2.阀体、阀板的刚度有限元分析

    因蝶阀在高炉系统中的密封性能非常重要，所以在蝶阀的主体零部件设计过程中，刚度是非常重要的，它是阀门正常使用、寿命长短的重要考核指标。因此，在设计的过程中，要对阀体、阀板进行有限元分析。通过模拟现场工作压力和工作温度获得的应力和应变值，对设计进行指导，如图3、图4所示。

（a）应变

 ♂

（b）应力

图3 阀板应力应变分布

（a）应变

（b）应力

图4 阀体应力应变分布

    四、结语

    偏心金属硬密封蝶阀的结构紧凑，零部件少，体积小，重量轻，耐高温，启闭灵活，在长期的工作状态下可实现零泄漏，有效地提高了阀门的使用寿命，降低了所需动力，节约了成本。另外，随着节能环保事业的发展，高炉余压将会被越来越多的再回收利用，偏心蝶阀作为余压利用高炉操作系统的一个阀门会得到更加广泛的应用。