造纸厂蒸煮锅锅盖阀的设计与仿真分析

    造纸厂蒸煮锅进料球阀是制浆造纸装置的重要部件之一，设置在蒸煮锅顶部，专门用于控制物料装填工序，是蒸煮锅完成进料后，进料球阀关闭，并能够在高压情况下达到良好密封的一种特殊球阀，该球阀在造纸行业中通常称之为“锅盖阀”。该阀进料口通过气体量大，介质通常是造纸的固体物料、废渣、废浆，阀关闭后，随着锅内的蒸煮温度和压力逐渐升高，阀的出口侧要承受很高的压力。这种阀目前没有技术标准，需要根据客户的工艺参数要求量身定制，该阀目前全部靠国外进口，价格昂贵。为此，浙江力诺阀门研发出了一种新产品，同时还取得了实用新型专利，填补了国内空白。锅盖阀主要由左阀体、右阀体、球体、阀杆和阀座等零部件构成，如图1所示。

    1 结构与原理

    1.1 单浮动阀座

    锅盖阀通过的介质一般是固体废渣或废浆，这对阀座会造成磨损，故采用金属硬密封设计，阀座表面堆焊硬质合金，增强耐磨性，且堆焊应尽量靠近阀座外径。同时，金属硬密封能在阀起闭时对纤维物料起剪切作用，保证密封面和阀内的清洁，提高了可靠性与使用寿命。

图1 蒸煮锅进料球阀

    采用单浮动阀座设计（见图2），阀座只设在进口侧，阀座背面处设计了碟形预紧弹簧，使阀座始终与阀芯紧密接触，在低压的时候也可以达到密封要求。

图2 阀座结构

    锅盖阀是起闭频率比较高的元件，为提高阀芯与阀座的耐磨性，阀芯表面镀硬铬。起闭过程中，阀芯球面上的2个密封面可轮流使用，延长了密封面使用寿命。为了防止蒸煮锅内高压介质从浮动阀座与阀体间隙处泄漏，引发安全事故，在碟形弹簧外侧设有2道O形密封圈，提高了阀座的密封性能。

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    锅盖阀工作时，其出口处压力因受到锅内压力作用，远高于进口处压力，阀座与阀芯始终处于紧密接触状态，获得了所需要的密封比压，从而达到良好密封。蒸煮锅内压力越高，密封效果越好。    

    1.2 半轴承设计    

    新型锅盖阀的设计中采用2个半轴承来支承阀芯，这2个半轴承都安装在上阀杆和下阀杆靠近出口的一侧。当锅盖阀开起时，上下阀杆与半轴承接触，阀芯能够在小偏心的情况下灵活地起闭。当锅盖阀全关工作时，阀杆不受半轴承的制约，阀芯在介质的压力下紧贴浮动阀座，压力越高，阀座与阀芯密封比压越大，密封效果越好，安全系数越高。蒸煮锅停止蒸煮后，锅内压力下降，阀杆又能够与半轴承接触。新型半轴承结构的采用使锅盖阀能够适应更多高温、高压的环境。

    1.3 安全联锁装置

    锅盖阀通常工作在高压状态，为了防止蒸煮锅阀门在这种情况下误动作而造成事故，特设置安全联锁装置（见图3）。在盲法兰上装有压力传感器，传感器与执行器相连，当锅内压力高于设定的安全开起压力时，压力传感器传送锁定控制信号，使阀处于关闭状态。当蒸煮完成且物料排放完，锅内压力低于安全开起设定压力时，阀门执行器才可以动作，避免了锅内压力泄漏而产生的危险。

图3　蒸煮锅物料进口阀外观图

    2 阀体内腔CFD优化设计

    蒸煮锅在进料过程中会有物料从锅盖阀没有阀座的一侧进入阀腔，如果阀腔容积太小，介质就会磨损阀芯表面，降低使用寿命；容积太大又会导致阀体体积过大，需要适当增大阀体内腔。在内腔与流道过渡处采用大圆弧顺滑圆角（见图3b），阀腔与蒸煮锅之间没有障碍，可以使进入阀腔的物料顺畅流入蒸煮锅，内腔不易滞留物料，从而不会产生阀门起闭阻滞。通过CFD数值模拟的方法来模拟锅盖阀的内部流场，优化内部结构。    

    2.1 流道建模与网格划分

    计算模型采用如图1所示的锅盖阀，通过三维建模软件UG建立锅盖阀简化结构。进行仿真分析前，要对流体部分进行网格划分，通过布尔运算得到锅盖阀在全开状态时的三维流道图，并保存成。step格式。通过ICEM进行网格划分，计算得出网格数为80万格。

    2.2 Fluent采用的设置

    将.msh文件导入Fluent，设置后进行计算。湍流模型采用标准的κ－ε模型，离散方程的求解方法采用非结构网格上的SIMPLE算法，速度压力场采用隐式的全场迭代解法，边界条件规定速度进口与压力出口。设定好上述求解控制方程后，即可求解阀芯全开状态的模型。

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    2.3 仿真结果分析

    由于阀芯与出口侧阀体内壁距离比较大，未形成阻尼，不会造成阀芯由于杂质而卡死的现象。图4中阀体内腔1处压力与出口2处压力近似相等，出口压力增大则阀座附近压力也随之增大。由于阀芯上下2个球面受到相同的介质压力，这2个力大小相等，方向相反，故阀芯所受的轴向力为0。即在锅盖阀完全关闭时，蒸煮锅内压力越大，则图4中2处压力越大，阀芯与阀座接触越紧密。

图4 锅盖阀全开时压力云图

    锅盖阀在全开时的内流场速度矢量图如图5所示，其中图5a是原始结构，阀体内腔与流道过渡处采用韧口；图5b是优化后的结构。可以得出，阀体内部介质流速非常快，在原始结构中，阀体内腔与流道过渡处冲击大，流阻大，介质对阀体磨损大。如果采用大圆弧顺滑圆角，则使得流线非常光滑，冲击小，流阻小，物料易进入蒸煮锅。

图5 原始结构和优化后阀体内流场数值模拟图

    3 结语

    锅盖阀采用特殊的单阀座浮动结构设计，密封面的自适应能力强，密封效果明显提高。同时，阀芯上的2个密封面可交替使用。试验表明，新结构的采用使得锅盖阀寿命延长1倍。阀体内腔结构采用大圆弧顺滑圆角，优化了流道结构，使得进入锅盖阀内的物料在小流阻的情况下即可进入蒸煮锅。安全联锁装置的设计可以保证蒸煮锅内压力过高时的锅盖阀关闭，避免锅内压力泄漏，产生危险。