高溫蝶閥的結構設計
1 概述
蝶閥以其開關速度快，制造成本低，占用安裝空間小的特點得到廣泛的應用。但是，蝶閥受其結構的影響，在高溫工況下，特別是在650℃以上的高溫工況下，材料受熱膨脹，在開啟或關閉時，容易卡住。本文探討一種適用于650℃以上高溫工況下的新型五桿式偏擺連桿蝶閥。
2 結構設計
在煉油廠催化裝置的煙機入口處，工作溫度為780℃，短時為850℃，工作介質為含有顆粒狀催化劑的高溫石油氣。由于該處的介質溫度高且含有固體顆粒，故用普通的雙偏心或三偏心硬密封蝶閥，在高溫時由于熱膨脹原因，容易將蝶板卡住，無法開啟。根據(jù)實際工況，設計了新型五桿式偏擺連桿結構的蝶閥。該閥驅動桿通過軸套和鍵與閥桿組裝成一體，隨閥桿的轉動而擺動。套桿和調節(jié)桿通過軸套固為一體或是直接制成一個整體，并空套在閥桿外圓上。邊桿通過銷軸與固定桿和套桿鉸接。當閥桿在驅動裝置的帶動下進行旋轉，驅動桿和套桿繞閥桿中心線旋轉。由于驅動桿、套桿和邊桿的聯(lián)合動作，再帶動固定桿動作，使蝶板的密封面先平移地脫離閥體的密封面（其平移過程密封面沒有摩擦），后發(fā)生旋轉，使閥門由關閉狀態(tài)到開啟狀態(tài)（圖2）。
3 性能及特點
1）采用五桿式偏擺連桿結構，能夠防止由于溫度升高而使蝶板密封面徑向尺寸受熱脹大，從而發(fā)生蝶板與閥體之間出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象。有效地解決了蝶閥的高溫熱膨脹咬合問題。
2）為了提高閥桿內件的高溫強度，閥門的閥桿、連桿、銷、鍵和螺栓等均選用高溫合金鋼。閥體和蝶板選用CF10M（ZG1Cr17Ni14Mo2），該材質可耐溫816℃，鑄造及焊接工藝性均良好，且價格適中。閥體和蝶板的密封面均堆焊鈷鉻鎢硬質合金，加工后焊層厚度≥1.6mm，可保證在高溫下密封面有一定硬度而不會受損。
3）閥桿和導套之間在高溫下要進行旋轉運動，一般奧氏體不銹鋼和合金鋼在780℃時表面硬度≤140HB，這個硬度在受力情況下相互摩擦極易咬傷，所以閥桿和導套的相互摩擦部位，均堆焊STL硬質合金。在780℃時，STL硬度約38HRC，防止了閥桿動作的卡塞現(xiàn)象。
4）在上、下閥桿導套內設計了吹掃孔。氮氣或蒸汽從吹掃口進入閥桿和導套配合間隙處，防止固體催化劑微粒進入閥桿與閥體的縫隙內。
5）密封面之間沒有摩擦，高溫下密封效果好，使用壽命長。
4 設計計算
閥體壁厚SB按第一強度理論計算。
式中SB———考慮腐蝕裕量后閥體最小壁厚，mm
D———閥體中腔最大內徑，根據(jù)結構需要選定，mm
p———最高使用壓力，按壓力溫度等級選取，MPa
[σL]———材料的許用拉應力，MPa
C———考慮鑄造、焊接偏差、工藝性和介質腐蝕等因素而附加的裕量，mm
驅動扭矩MZ為MZ=M1+MZC+MT+M2
式中MZ———閥門開啟時的驅動力矩，N·m
M1———閥門開啟介質力矩，N·m
P———閥門開啟時蝶板兩側的壓力差，MPa
L———傳動軸與蝶板中心線的距離，m
D1———密封面的直徑，mm
MZC———閥桿與軸套間產(chǎn)生的摩擦力矩，N·mm
fZ———軸承摩擦系數(shù)（fZ=0.05～0.1）
dQJ———與軸套配合的軸徑，設計給定，mm
MT———填料的摩擦力矩，N·m
QT———閥桿與填料的摩擦力，N
QT=ΨdFbTp
dF———閥桿直徑，mm
M2———各鉸軸間的摩擦力矩，N·m
因M2在總力矩中所占比例很小，可以忽略。
5 結語
五桿式偏擺連桿結構蝶閥解決了蝶閥在高溫狀況下出現(xiàn)的因熱脹而卡死的現(xiàn)象。有效地解決了蝶閥在高溫下的密封問題。隨著新材料、新工藝和新結構不斷發(fā)展，該閥將在冶金、石化等行業(yè)的高溫管道上發(fā)揮其更大的作用。