探讨五杆式偏摆连杆结构高温蝶阀的结构设计

    蝶阀以其制造成本低、开关速度快、占用安装空间小等特点目前得到了广泛的应用。但是，蝶阀受其结构的影响，在高温工况下特别是在650℃以上的高温工况下材料受热膨胀，在开启或关闭时容易卡住。本文将探讨一种适用于650℃以上高温工况下的新型五杆式偏摆连杆蝶阀。

一、结构原理
    在炼油厂催化装置的烟机入口处的工作温度为780℃、短时为850℃，工作介质为含有颗粒状催化剂的高温石油气。由于该处的介质温度高且含有固体颗粒，故用普通的双偏心或三偏心硬密封蝶阀，在高温时由于热膨胀原因，容易将蝶板卡住无法开启。根据实际工况，设计了新型五杆式偏摆连杆结构的蝶阀（图1）。该阀驱动杆通过轴套和键与阀杆组装成一体，随阀杆的转动而摆动。套杆和调节杆通过轴套固为一体或是直接制成一个整体，并空套在阀杆外圆上。边杆通过销轴与固定杆和套杆铰接。当阀杆在驱动装置的带动下进行旋转，驱动杆和套杆绕阀杆中心线旋转。由于驱动杆、套杆和边杆的联合动作，再带动固定杆动作，使蝶板的密封面先平移地脱离阀体的密封面（其平移过程密封面没有摩擦），后发生旋转，使调节阀由关闭状态到开启状态（图2）。

二、性能及特点
    1、在上、下阀杆导套内设计了吹扫孔。氮气或蒸汽从吹扫口进入阀杆和导套配合间隙处，防止固体催化剂微粒进入阀杆与阀体的缝隙内。
    2、为了提高阀杆内件的高温强度，阀门的阀杆、连杆、销、键和螺栓等均选用高温合金钢。阀体和蝶板选用CF10M（ZG1Cr17Ni14Mo2），该材质可耐温816℃，铸造及焊接工艺性均良好，且价格适中。阀体和蝶板的密封面均堆焊钴铬钨硬质合金，加工后焊层厚度≥1.6mm，可保证在高温下密封面有一定硬度而不会受损。
    3、采用五杆式偏摆连杆结构，能够防止由于温度升高而使蝶板密封面径向尺寸受热胀大，从而发生蝶板与阀体之间出现卡塞现象。有效地解决了蝶阀的高温热膨胀咬合问题。
    4、阀杆和导套之间在高温下要进行旋转运动，一般奥氏体不锈钢和合金钢在780℃时表面硬度≤140HB，这个硬度在受力情况下相互摩擦极易咬伤，所以阀杆和导套的相互摩擦部位，均堆焊STL硬质合金。在780℃时，STL硬度约38HRC，防止了阀杆动作的卡塞现象。
    5、密封面之间没有摩擦，高温下密封效果好，使用寿命长。
三、设计计算
    阀体壁厚S_B按第一强度理论计算。

    式中S_B———考虑腐蚀裕量后阀体最小壁厚，mm
    D———阀体中腔最大内径，根据结构需要选定，mm
    p———最高使用压力，按压力温度等级选取，MPa
    [σ_L]———材料的许用拉应力，MPa
    C———考虑铸造、焊接偏差、工艺性和介质腐蚀等因素而附加的裕量，mm
    驱动扭矩M_Z为M_Z=M₁+M_ZC+M_T+M₂
    式中M_Z———阀门开启时的驱动力矩，N·m
    M₁———阀门开启介质力矩，N·m

    P———阀门开启时蝶板两侧的压力差，MPa
    L———传动轴与蝶板中心线的距离，m
    D₁———密封面的直径，mm
    M_ZC———阀杆与轴套间产生的摩擦力矩，N·mm

    f_Z———轴承摩擦系数（f_Z=0.05～0.1）
    d_QJ———与轴套配合的轴径，设计给定，mm
    M_T———填料的摩擦力矩，N·m

    Q_T———阀杆与填料的摩擦力，N
    Q_T=Ψd_Fb_Tp
    d_F———阀杆直径，mm
    M₂———各铰轴间的摩擦力矩，N·m
    因M₂在总力矩中所占比例很小，可以忽略。
四、结论
    五杆式偏摆连杆结构蝶阀解决了蝶阀在高温状况下出现的因热胀而卡死的现象。有效地解决了蝶阀在高温下的密封问题。随着新材料、新工艺和新结构不断发展，该阀门将在冶金、石化等行业的高温管道上发挥其更大的作用。

    参考资料
    1、洪勉成，等。阀门设计计算手册（M）。北京：中国标准出版社，1994。
    2、杨源泉。阀门设计手册（M）。北京：机械工业出版社，1992。

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