提升式金屬密封旋塞閥

2014-03-26 楊榮水 浙江石化閥門有限公司

  闡述了提升式金屬密封旋塞閥的工作原理、結構設計、有限元分析和主要零部件制造工藝。該閥門已獲國家專利( 專利號: ZL201120070326.3) 。

1、概述

  旋塞閥具有結構簡單和流阻小等特點,但普通旋塞閥靠塞子和閥體直接接觸密封,存在啟閉力矩大、密封面易磨損和密封性能差等缺點。普通的襯套旋塞閥、油潤滑旋塞閥和將軍閥等不適用于高溫工況。根據(jù)工況條件研制的提升式金屬密封旋塞閥,解決了旋塞閥不能用于高溫的問題。

2、性能

  提升式金屬密封旋塞閥采用樞軸固定整體式塞子、硬質合金堆焊閥座和雙滾輪導槽設計,實現(xiàn)了閥門開啟無摩擦提升并旋轉的功能,降低了閥門操作過程中密封面擦傷、磨損和粘結破壞的幾率,具有結構新穎、工藝先進、操作省力、啟閉迅速、密封性好、維護方便、可高溫吹掃和全方位安裝等優(yōu)點,特別適合于高溫蒸汽管道和高壓差泵出口使用,也適用于延遲焦化系統(tǒng)、渣油催化裂化裝置和乙烯裂化裝置等場合。

3、工作原理

  提升式金屬密封旋塞閥主要由底蓋、下支撐板、閥體、塞子、上支撐板、閥蓋、閥桿、支架、橫銷、滾輪、閥桿螺母和驅動裝置等組成( 圖1) 。閥桿上部為梯形螺紋,閥桿下部和塞子通過T 形槽連接,閥桿中部有一橫銷,銷兩端各套有一只滾輪。支架上部設有兩條成180° 分布的導槽,導槽包括直槽和螺旋槽。開啟閥門時,驅動裝置( 如手輪) 帶動閥桿螺母轉動,滾輪沿直槽滾動上升,閥桿和塞子一起上升,塞子和閥體密封面軸向無摩擦分離。閥桿螺母繼續(xù)轉動,滾輪沿螺旋槽滾動,閥桿和塞子逆時針旋轉90°,閥門全開。關閉閥門時,驅動裝置帶動閥桿螺母轉動,滾輪沿螺旋槽滾動,閥桿和塞子順時針旋轉90°,閥桿螺母繼續(xù)轉動,滾輪沿直槽滾動,閥桿和塞子一起下降,塞子與閥體密封面開始接觸直至貼緊密封。

4、結構設計

  閥門設計采用API 599 并參考API 600 標準,密封副采用金屬密封結構,適用于高溫工況。因提升式金屬密封旋塞閥的密封比壓是由外部執(zhí)行機構提供的力矩控制,屬于強制密封閥門。

提升式金屬密封旋塞閥

1. 底蓋2. 下支撐板3. 閥體4. 塞子5. 上支撐板6. 閥蓋7. 閥桿8. 支架9. 橫銷10. 滾輪11. 閥桿螺母12. 手輪

圖1 提升式金屬密封旋塞閥

  4.1、閥體

  閥體端部為法蘭連接,流道為文丘里規(guī)則型,即流道截面積從閥門出入口到閥座密封處為逐漸縮小,但流道高度方向的尺寸略有擴大。殼體最小壁厚滿足在壓力試驗( 1. 5 倍最大允許工作壓力) 載荷下,避免永久變形和滿足非圓形通道的應力集中的要求。

  根據(jù)實際檢驗和測試,應力集中對閥體變形影響最大的部位在閥體中腔和密封面區(qū)域,因而影響閥門的密封性能。針對高壓閥體,在其外部設置了整體鑄造加強筋( 圖2 和圖3) 或者增加閥體壁厚,確保閥體在高壓時有足夠的剛性。閥體密封面設計成內部凸起結構,使其工藝性好,方便機加工和磨頭磨削,在閥門全關時中腔適合采用吹掃工藝。

閥體加載靜態(tài)應力分布

圖2 閥體加載靜態(tài)應力分布

閥體加載靜態(tài)位移分布

圖3 閥體加載靜態(tài)位移分布

  4.2、塞子

  塞子為整體式結構,剛性好,有利于閥門在高壓差工況應用。塞子通孔設計成近似矩形,塞子設計有上下樞軸,與上下支撐板的高精度內孔配合。支撐板外圓與閥體上下法蘭端部的內孔精密配合,使作用于塞子的介質壓力通過支撐板傳遞到閥體上,避免塞子在高壓力和高壓差工況下受高速流體沖刷導致振動,增強塞子的穩(wěn)定性。另外,當閥門安裝要求閥桿水平或傾斜時,這種結構也消除了塞子因自重對閥門性能產生的不利影響。通過分析,塞子的應力和變形集中在塞子中部和塞子通孔邊緣處,設計時應著重考慮( 圖4 和圖5) 。

塞子加載靜態(tài)應力分布

圖4 塞子加載靜態(tài)應力分布

塞子加載靜態(tài)位移分布

圖5 塞子加載靜態(tài)位移分布

  塞子材料一般選用鑄造碳鋼堆焊硬質合金。對于Class 600 以上壓力等級,宜采用鍛造碳鋼堆焊硬質合金,或采用鑄造馬氏體不銹鋼加熱表面硬化工藝,熱處理后硬度控制在35 ~ 40HRC,研磨后防止侵蝕和粘結。閥體和塞子密封面全部堆焊硬質合金,既防止咬合,又延長閥門使用壽命。

  4.3、閥桿

  閥桿結構參照楔式閘閥閥桿設計方法,考慮閥桿中部有橫銷通孔,適當加大閥桿直徑。因為閥門行程短,所以閥桿的絲桿部分只有同規(guī)格閘閥的1 /10 ~1 /5。因而金屬密封旋塞閥開啟速度快。

  4.4、閥蓋和底蓋

  閥蓋密封結構設計為凹凸面或環(huán)連接,以滿足不同壓力等級的要求。對于大口徑閥門,采用支架和閥蓋分體式設計。另外,金屬密封旋塞閥閥蓋的閥桿孔處設有上密封座,與閥桿端部的90°錐面配合,形成閥門的上密封副,滿足在線更換填料的要求,維護方便。閥門支架上部設有導槽,導槽與滾輪配合,即可完成塞子升降和旋轉兩個動作。支架上端法蘭按GB /T12222 設計,可用于安裝各種執(zhí)行機構。底蓋上設有排放孔,可用于排除和吹掃體腔內污物。

5、制造與檢驗

  提升式金屬密封旋塞閥的閥體和塞子的錐形密封面結構形狀特殊,加工精度要求高,是制造的關鍵點和難點。首先采用大型數(shù)控立式車床加工錐面,然后再用高精度數(shù)控磨削中心用同一個砂輪磨削閥體和塞子的密封錐面,使表面粗糙度達Ra 0. 2μm。經過對旋塞閥樣機按API 598 要求進行了多次殼體強度、高低壓密封和上密封試驗項目的測試,測試項目全部合格,樣機試制成功。

6、結語

  提升式金屬密封旋塞閥適用于高溫高壓差工況,可以達到零泄漏,提升了旋塞閥的產品性能。