脈沖反吹閥閥瓣的防松分析及改進

陳鳳官　王富強　王 渭　明 友　郝偉沙　高紅彪

（1.合肥通用機械研究院，安徽　合肥　230031；2.河南開祥化工有限公司，河南　三門峽　472300）

脈沖反吹閥閥瓣的防松分析及改進

陳鳳官1王富強2王 渭1明 友1郝偉沙1高紅彪1

（1.合肥通用機械研究院，安徽合肥230031；2.河南開祥化工有限公司，河南三門峽472300）

摘要：針對反吹閥在現(xiàn)場使用過程中存在的問題，分析了該閥的結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場使用工藝工況條件，總結(jié)了現(xiàn)有幾種解決方案，給出了適合現(xiàn)場工藝工況條件下的解決方案。

關(guān)鍵詞：煤化工；反吹閥；閥瓣設(shè)計；螺紋；防松結(jié)構(gòu)

一、反吹閥閥瓣工作特性分析

1.閥門工藝工況特點

一般來說，Shell粉煤氣化裝置中反吹清潔系統(tǒng)由24臺脈沖反吹閥組成，24臺閥門每間隔20～30s交替啟閉，每臺閥門啟閉時間<0.3s，開關(guān)頻繁且振動大。閥門入口壓力0～8.1MPa，介質(zhì)溫度約為225℃，確保與飛灰過濾器中溫度相差較小，利用頻繁快速的開啟，形成高壓差脈沖氣流，從而對濾芯進行反吹清潔。

在高頻高溫高壓條件下，脈沖反吹閥閥瓣密封性能的好壞，直接影響到對濾芯的反吹效果，進而影響到整個工藝系統(tǒng)。

2.閥瓣松脫問題分析

脈沖反吹閥閥瓣、閥座密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥瓣與閥桿通過螺母加彈簧墊圈進行緊固防松，閥瓣與閥桿間還設(shè)置有不銹鋼纏繞密封圈，但兩者之間沒有剛性限位。在脈沖反吹閥正常工作時，驅(qū)動裝置將帶動閥桿閥瓣上下運動，拍打閥座，從而實現(xiàn)閥門的開啟關(guān)閉。由于閥瓣與閥桿間未設(shè)計剛性限位，在閥門長期服役狀態(tài)下，不銹鋼纏繞圈將逐漸變形，進而出現(xiàn)閥瓣松脫現(xiàn)象。

圖1　反吹閥閥瓣結(jié)構(gòu)示意圖

而且螺母加彈簧墊圈的防松方法性能僅優(yōu)于單螺母緊固。當其應(yīng)用在高溫高頻振動狀態(tài)下，閥瓣極易伴隨緊固螺母的松退方向旋轉(zhuǎn)，其預(yù)緊力衰減明顯，無法獲得較高的可靠性。

“此外，除了循環(huán)經(jīng)濟外，我們亦洞察到市場新的動向及需求，例如‘一帶一路’倡議在塑料產(chǎn)業(yè)催生的新商機；以及世界經(jīng)濟形勢變化、中美貿(mào)易摩擦背景下，塑料技術(shù)創(chuàng)新的機遇與挑戰(zhàn)等。故此，今年主辦方強力出擊拓展海外市場，啟動了在東盟國家及‘一帶一路’沿線重點國家的宣傳，并派員親臨當?shù)匮垍f(xié)會、企業(yè)參觀展會，旨在協(xié)助展商開拓更多的商機和加大投資回報率。”

根據(jù)對多家Shell煤化工企業(yè)的現(xiàn)場調(diào)研，其對閥瓣的防松處理均采用直接將防松螺母與閥桿螺紋焊死的方法，在圖1所示焊點處多點焊死。在氣化裝置停車檢修或例行維護時則需要更換整套閥桿。這種方法簡單可靠，但成本高，且資源浪費嚴重，不利于煤化工企業(yè)的低成本運營與維護。

二、防松方法特點淺析

目前螺紋防松方法，按其防松原理大致可以主要分為以下幾類：摩擦防松、機械防松、破壞螺紋副防松等，這其中還包括近幾年發(fā)展的幾種新型螺紋防松方法。

1.摩擦防松方法

摩擦防松是利用增加螺紋副或接觸面的摩擦力來達到螺紋防松效果。摩擦防松方法常用彈簧墊圈、彈性墊圈、齒形鎖緊墊圈、對頂雙螺母、扣緊螺母、帶尼龍嵌件的螺母、帶法蘭面的鎖緊螺母等。另外，在螺紋副中加入螺紋膠等理論上也應(yīng)屬于增加摩擦力的方法，但當所使用的螺紋膠不可拆卸時，則應(yīng)歸類為破壞螺紋副的方法。

其中，凹凸型螺母防松如圖2所示，是應(yīng)用偏心圓錐配合增加摩擦力的對頂雙螺母，防松效果較普通對頂螺母好，但提高了加工的復(fù)雜性，且螺母均為非標，不有利于規(guī)模生產(chǎn)。施必牢（SPL）防松螺母如圖3所示，則是利用異形螺紋結(jié)構(gòu)，增加全螺紋副的摩擦力，進而來達到防松效果，防松效果明顯，但螺紋加工難度大，工藝較為復(fù)雜。

圖2　凹凸型雙螺母防松結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　施必牢螺紋結(jié)構(gòu)示意圖

2.機械防松方法

機械防松方法主要有螺栓螺母帶孔加開口銷、加止動墊圈、串聯(lián)鋼絲等，防松可靠性高，但需要以破壞零件結(jié)構(gòu)為代價，且裝配拆卸難度大，對預(yù)緊力控制要求不嚴格。

圓螺母加止動墊圈防松方法，在螺桿上加工一槽，先裝上含有內(nèi)齒的止動墊圈，再裝上圓螺母緊固，然后將止動墊圈的外齒折進圓螺母上的缺口內(nèi)，從而達到防松效果。

本文所涉及的閥瓣防松，某化工廠在技改過程中采用了上述方法，防松效果明顯，但是閥桿剛度被削弱，進而導(dǎo)致閥門密封效果差，最終又取消了該方案。

3.破壞螺紋副防松方法

破壞螺紋副防松就是直接破壞螺紋副，常用方法則有將螺紋副鉚死、焊死、打沖破壞。或者在螺紋副上涂抹特殊螺紋膠，安裝后螺紋無法正常拆卸，必須破壞螺紋副方可拆解。

破壞螺紋副防松非常可靠，但拆卸困難，且拆卸后無法重復(fù)利用?，F(xiàn)場使用的方法就是對閥瓣防松螺母直接與閥桿螺紋焊死，所以在閥門維修時，整套波紋管閥桿組件都無法重復(fù)使用，維修成本高昂。

4.其他防松方法探討

除了上述傳統(tǒng)幾類防松方法，還有其他一些防松效果良好的方法。

利用鐵基形狀記憶合金來研制一種新型螺母，理論及試驗均表明其防松效果可靠，可以重復(fù)使用，但是該方法成本較高，且距離大規(guī)模生產(chǎn)普及還有一定的時間。而復(fù)合螺紋是將左右旋兩螺紋復(fù)合在同一螺桿上，利用左右旋螺母相互制約來達到防松效果。

唐氏螺紋，如圖4所示這種類型的防松方法已有非常詳盡的描述，提供了多種實施方案，并提出權(quán)利要求。左右旋復(fù)合螺紋這種防松方法可靠性高，且安裝拆卸方便。

圖4　左右旋復(fù)合螺紋防松結(jié)構(gòu)示意圖

防松墊圈SOLID-LOC K，如圖5所示。其主要原理是在螺母加墊圈緊固后，被緊固零件與墊圈間發(fā)生塑性變形，且墊圈與螺母間也發(fā)生塑性變形，均有較大摩擦力，然后利用墊圈升角大于螺紋升角，從而達到防松效果。該方法防松可靠，在國外有較多應(yīng)用。

上述兩種防松都是利用了螺紋的升角不同從而達到結(jié)構(gòu)性防松效果。圖4所示右旋螺紋升角為α，而左旋螺紋升角為β，兩者方向相反，大小可同可不同；圖5所示墊圈升角為α，而螺紋升角為γ，兩者大小不同α>γ。故兩者均可達到很有效的防松效果。

圖5　SOLID-LOCK墊圈防松結(jié)構(gòu)示意圖

三、解決方案

根據(jù)脈沖反吹閥的工藝工況條件，以及現(xiàn)場使用現(xiàn)狀，通過對閥桿、閥瓣的結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)著重從三個角度去解決閥瓣的防松問題：閥瓣的限位、閥瓣可伴隨緊固件旋轉(zhuǎn)、閥瓣與緊固件相互制約。

結(jié)合上述幾種可靠的防松方法，擬將閥桿、閥瓣連接形式進行如下改進（如圖6所示）。

圖6　改進后的閥桿閥瓣防松結(jié)構(gòu)

首先，將閥瓣與閥桿之間設(shè)置剛性限位，確保閥門在正常工作時，閥瓣不會產(chǎn)生工作位移。

其次，在閥桿和閥瓣上均增加一道螺紋，旋向為左旋。

最后，在閥瓣與鎖緊螺母間增加一防松墊圈，如SOLID-LOCK等。

通過上述結(jié)構(gòu)改造，閥瓣與閥桿之間有了兩道定位保證，一是圖6所示的剛性限位，二是閥瓣與閥桿間的左旋螺紋配合；閥瓣與鎖緊螺母間設(shè)置防松墊圈，閥瓣與防松墊圈之間、防松墊圈與鎖緊螺母之間通過擰緊力矩，會發(fā)生塑性變形，從而產(chǎn)生較大的摩擦力，而閥瓣的松脫方向與防松墊圈及鎖緊螺母的松脫方向相反，鎖緊螺母與防松墊圈松脫螺紋升角大小不同，且閥瓣已被剛性定位，故閥瓣可被可靠防松。并且該結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用，大大地降低了維護成本。

四、結(jié)語

針對脈沖反吹閥在使用過程中出現(xiàn)的閥瓣松脫問題，分析了脈沖反吹閥的工藝要求及工作特性，總結(jié)并分析了目前國內(nèi)外常用的幾類防松方法，結(jié)合脈沖反吹閥閥桿閥瓣的結(jié)構(gòu)特點，給出了一種改進結(jié)構(gòu)方案，并在工藝現(xiàn)場實踐，實踐結(jié)果表明，該方案防松可靠，可有效解決閥瓣松脫問題，并降低了Shell煤化工企業(yè)的運營和維護該閥的成本。螺紋防松問題是工程上一直在探討的問題，防松方法很多，在產(chǎn)品的設(shè)計及改進過程中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域要求及產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)特點，選用最經(jīng)濟、最合適的防松方法。

參考文獻：

[1]王渭，明友.殼牌粉煤氣化裝置用閥結(jié)構(gòu)類型與特性的分析[J].閥門，2010（6）：22-24.

[2]項忠霞，董剛，林孟霞等.螺紋聯(lián)接防松方法的評述[J].機械設(shè)計，1996（11）：1-2，32.

[3]成大先.機械設(shè)計手冊：第2卷[M].第五版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：60-62，178-189.

[4]陳睿.新型防松螺母——凹凸型螺母[J].武鋼技術(shù)，1996，34 （3）：37-40.

[5]張寧東，徐永茂.，新型的圓螺母一防松結(jié)構(gòu)[J].機械制造,1992 （4）：16.

[6]李俊良,杜彥良,孫寶臣等.一種新型智能防松螺母的研究[J].工程設(shè)計學(xué)報，2003，10（3）：154-157.

[7]唐宗才.復(fù)合螺紋：中國，ZL99114345.0[P].2001-01-31.

[8]孫峰，唐宗才.唐氏螺紋的防松原理及效果[J].機械工程師，2002（5）：13-15.

[9]林清富.帶反向螺紋雙螺母防松結(jié)構(gòu)的螺紋連接件：中國，ZL93211129.1[P].1994-04-06.

[10]郭慶榮.螺栓連接逆旋向雙螺母[J].機械制造，1991（6）：32.

[11]蘇光輝.一種新穎可靠的接觸網(wǎng)緊固件防松措施——SOLID-LOCK防松墊片，高速鐵路接觸網(wǎng)零部件安全可靠性技術(shù)論文集[C].2013-11-20，4-8.

中圖分類號：TH17；TQ 545

文獻標識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）01-0057-03

基金項目：合肥通用機械研究院青年科技基金項目（項目編號：2013010659）

收稿日期：（2015-11-24）