浅议烟道蝶阀的结构设计与应用

发布时间:2011-01-21  点击数:2200
    精矿干燥是熔炼系统中物料制备的主要工序之一,该工艺流程是将来自选矿含水8%~10%的湿精矿和煤粉燃烧产生的热煤气混合,经过“三段式”气流干燥至含水≤0.3%的干精矿。在镍熔炼系统及配套的烟气化工产品管网中,烟道蝶阀主要用于调节处理来自火法冶炼产生的烟气(如闪速炉、转炉、铜合成炉、富氧顶吹熔炼炉或贫化炉产生的烟气)。烟气制酸装置主要包括净、转化、干吸和酸库等单元。熔炼产生的烟气和制酸所用烟气温度较高且催化剂粉尘较大,对管道调节阀有腐蚀和阻滞作用。熔炼和制酸管网用烟道蝶阀应根据其使用工况条件进行结构设计,避免由于热变形和阀门管壁粉尘粘结及管道灰堵使得烟道蝶阀不能正常启闭,影响冶炼化工设备的正常运行。
一、性能分析
    按文献(1的规定,法兰和对夹连接的截流和调节流量用烟道蝶阀(图1)适用于公称压力≤PN016MPa、公称通径≤DN3000mm、温度≤450℃、介质为空气、含尘烟气和工业煤气等。烟道蝶阀适用于在规定范围内调节流量和截流。

    烟道蝶阀与金属密封蝶阀(2)相比较,在阀门的使用条件、结构和技术要求、泄漏率及其检验与试验方法等方面均有所不同。金属密封蝶阀最低标准E级气体最大允许泄漏率为200×DN(mm3/s)。烟道蝶阀最高标准A级气体最大允许泄漏率为

    式中L0———最大允许泄漏率,Nm3/h。
    K———A级泄漏系数

    DN———蝶阀公称通径,mm
    P———试验压力,MPa。
    从以上标准要求和计算公式分析,烟道蝶阀A级泄漏率标准明显大于金属密封蝶阀E级泄漏率标准。以DN1200口径的蝶阀为例,金属密封蝶阀E级标准最大允许泄漏率为

    烟道蝶阀A级标准最大允许泄漏率为(按0.6MPa公称压力)

    由计算式分析,烟道蝶阀与金属密封蝶阀在结构设计和检验方法上有区别,烟道蝶阀密封性要求明显低于金属密封蝶阀,其调节特性与金属密封蝶阀相似。
二、结构特性
    从标准规定和实际使用情况分析,烟道蝶阀用于介质的截断或者调节时,其密封性能要求与金属密封蝶阀有一定的差别。作为管网含尘烟气控制设备,处于关闭位置仍留有一定间隙不会影响管路开度调节达到炉压的自动控制。烟道蝶阀与金属密封蝶阀流体特性相似,蝶阀开度与流量之间的关系基本上呈线性比例关系。如果用以控制流量,其流量特性与配套管路的流阻系数有密切关系。如两条管道安装阀门口径和形式完全相同,而管道损失系数不同,阀门的流量差别就会相差很大。如果阀门处于节流幅度较大的状态,蝶板处于中间开度时,关闭过程中,蝶板上下两侧可以形成完全不同的状态,一侧蝶板前端顺介质流向而动,另一侧则逆介质流向而动。因此,一侧阀体与蝶板形成似喷嘴形开口,另一侧则类似节流孔形开口,喷嘴侧比节流侧流速快的多,而节流侧一面往往会产生负压,所以烟道蝶阀水平安装时应将喷嘴侧放在管道的下部,可以避免管道阀门连接处灰堵现象的发生。
    烟道蝶阀主要起截流和调节流量的作用,特别是大口径蝶阀,工况条件影响阀门的变形因素较多且变形量不易控制,所以结构设计应考虑环境因素的影响。烟道蝶阀径向密封与金属密封蝶阀结构相似,应用过程中受温度影响易产生热卡阻,影响阀门的启闭。烟道蝶阀密封形式以平面密封较为理想,可以设计成垂直板或斜板式结构(图2),阀体、蝶板以侧平面为密封副。蝶板外径可以小于阀体通径,即使阀门内腔管壁有粘结也能方便开启。管道变形对阀门主体密封性能影响没有径向密封效果明显。该结构阀体密封面的对称度要求较高,特别是斜板式结构其阀体密封侧平面在普通机械设备上难以加工,必须安排合理的工艺才能使装配精度达到理想的密封效果。平面密封结构如果采用杠杆式,无论垂直板还是斜板结构都可解决密封平面在加工过程中存在的问题。该结构有许多优点,杠杆结构阀门密封面为侧平面密封,不会产生径向卡阻。另外,阀体和蝶板密封侧平面为连续的平面整体加工,蝶板外径设计小于阀体通径。蝶板关闭过程先转动后平动密封面越压越紧,开启过程蝶板先平动后转动,也不会产生卡阻。烟道蝶阀一般在压力低、温度高的环境条件下工作,不会影响阀门启闭。

三、使用安装
    烟道蝶阀的结构设计应结合阀门的工况使用条件。在温度较高含尘量大的熔炼工况条件下,烟道蝶阀的设计可采用平面斜板式结构。该结构的蝶板与阀体之间留有间隙,其间隙值依据阀门口径和工况使用条件确定,一般控制在其通道面积的0.5%以内,可以满足烟道蝶阀安装和工况温度变化及熔炼工艺要求。在温度较高和含尘量较小的制酸工况条件下,烟道蝶阀的设计可采用垂直板式结构。该结构密封面加工容易,其密封面间隙值控制在通道面积的0.2%以内。阀体、蝶板密封副尺寸精度可通过机械加工达到设计要求。对于温度高、压力低及密封要求严格的工况,烟道蝶阀设计采用杠杆式平面结构。该密封副配制和蝶板运行轨迹可满足高密封性能的管网设备工艺要求。烟道蝶阀主体密封依据不同工况选用不同结构,有利于阀门生产和工况使用。烟道蝶阀轴端结构设计采用具有隔热和密封效果优良的外置式支撑结构,可实现阀门二轴端先密封后支撑,便于调节的功能,不会产生轴端卡阻。在直连式或曲柄连杆机构与传动机构连接时,加装隔热套都能有效远离高温环境对传动装置的影响,保证阀门正常工作。大口径烟道蝶阀的阀体和蝶板应依据工况要求采用铸造或焊接形式,均应配置筋板,选择合理的工艺方案和材料,以提高产品的刚性,防止产品变形。
    烟道蝶阀在管网中的安装位置和管网布局对阀门的使用也有影响,烟尘大的管道在阀门开启端或阀门连接转角处设计封闭型漏斗,定期除灰可防灰尘堆积过多,以利于蝶板的转动。烟道蝶阀安装还应注意几个问题,①使用金属垫圈必须保证负荷均匀,避免因温度和自重的影响或焊接产生的应力给阀门带来附加压力,使阀门法兰及管道变形。②阀门安装在较长管道的地方时,应安装支承架。③阀门安装应注意介质流向,使蝶板的开启方向与管道介质流向一致,有利于介质流速的自清灰作用。④加强管网整体保温层的防护,使管壁温度在露点以上,可以减少低温粘结性粉尘积灰。如果管壁温度高于烟气的酸露点,可以避免酸汽在受热管壁上的结露,控制三氧化硫的生成率,则阀门使用效果会更好。
    烟道蝶阀的安装位置随着管道的设计有横向、竖向及弯角等不同位置,一般竖管安装烟道蝶阀使用效果较好,不易积灰,横管次之,弯角处效果最差。阀门进出口两侧转弯处最易形成偏流和灰堵,阀门操作力矩将有所增大。
四、结论
    烟道蝶阀结构简单,体积小、质量轻,一般使用于温度高工作压力低的场所。烟道蝶阀设计结构与工况使用条件有很大的关系,具体结构应根据工况条件而定。从使用情况分析,作为调节型控制阀门,就主体密封结构而言,无论垂直板式还是斜板式结构,一般阀体有密封圈结构优于无密封圈的通径密封结构。对于熔炼工况条件,烟气温度高含尘量大,易选用斜板式平面密封结构。精炼及化工制酸工况相对温度和含尘量较低可选用阀体有密封圈结构的平面垂直板式密封结构。对于炼化设备密封要求严,温度高的工况,则选用杠杆式平面密封结构。烟道蝶阀轴端结构,以组合外置式支撑结构较为合理。烟道蝶阀在工况使用中温度变化产生热卡阻和管壁粉尘粘结及管道灰堵是影响烟道蝶阀正常启闭的主要原因。

   参考资料
    (1)JB/T8692-1998。烟道蝶阀(S)。
    (2)JB/T8527-1997。金属密封蝶阀(S)。