高密封管道切換圓頂閥的研制

肖翰 蕭亞兵

摘 ? 要：本圓頂閥綜合考慮了兩個因素，從結(jié)構(gòu)和材料的耐磨性上進行了專門設(shè)計，專用于電廠粉煤灰氣力輸送系統(tǒng)，有效地防止輸送空氣反串，減少閥內(nèi)密封面的磨損。工程實踐經(jīng)驗表明，該種柔性密封結(jié)構(gòu)閥門使用壽命以及密封效果遠(yuǎn)好于普通球閥，有效地解決了氣力流體系統(tǒng)工況中閥門因溫度引起的密封圈變形、密封不可靠和使用壽命短等一系列問題。

關(guān)鍵詞：密封結(jié)構(gòu) ?密封材料 ?研制

中圖分類號：TH134 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0068-03

在圓頂閥的研發(fā)設(shè)計方面，國內(nèi)一些大專院校和相關(guān)企業(yè)，以及其它一些科研單位在對國內(nèi)一些主要電廠所使用的這種閥門的種類、失效方式等進行廣泛調(diào)研、對具有代表性的閥門進行解剖分析的基礎(chǔ)上進行了一系列的研發(fā)工作。當(dāng)前，國外多個知名大公司具有生產(chǎn)此類閥門的技術(shù)能力，也實現(xiàn)了對市場的高額占有率，主要有英國的Clyde，但由于國內(nèi)煤質(zhì)的特殊狀況，使用效果不佳，壽命低?？煽啃愿?，耐用性好，維護方便、經(jīng)濟，將是未來氣動圓頂閥設(shè)計的主要發(fā)展方向。

1 ?主要研究內(nèi)容

研究1：產(chǎn)品采用組合式密封結(jié)構(gòu)，提高了閥門的密封性能。

研究2：采用改性橡膠材料密封圈，密封圈可迅速回彈恢復(fù)形狀，降低與閥門的摩擦面積，提高密封圈的使用壽命。

研究3：提高閥體流道表面、密封面的耐磨、抗沖蝕性能、抗高溫氧化性。

研究4：設(shè)計了一種專用組合夾具，只需一次裝夾就可以完成幾道工序的加工，減少了積累誤差，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

2 ?技術(shù)解決方案

2.1 組合式密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

密封性是燃煤電廠輸灰閥門好與壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。為了防止被阻流的介質(zhì)沿著閥門推拉桿進入氣缸，造成氣缸內(nèi)部的腐蝕及堵塞，從而影響閥門的正常使用，因此，必須做到良好的密封。

通常，輸灰閥門的密封由密封圈與閥門推拉桿過盈配合來實現(xiàn)，但這種密封方法在高溫、高壓介質(zhì)的工況下，很容易造成介質(zhì)泄漏而導(dǎo)致密封失效，而且需要經(jīng)常更換密封圈，使得閥門的維護成本上升，這些問題一直困擾著使用者。

組合式密封結(jié)構(gòu)見圖1，其特征在于包括填料壓板（1）填料壓套（2）;四層盤根（3）;防塵圈（4）;聯(lián)接件（5）;密封圈（6）;彈簧（7）;中間環(huán)（8）;閥座（9）;閥門推拉桿（10）。中間環(huán)（8）與聯(lián)接件（5）螺栓連接，聯(lián)接件（5）與閥門推拉桿（10）間隙配合，閥座（9）與中間環(huán)（8）螺栓連接，閥座（9）與防塵圈（4）螺栓連接，四層盤根（3）與閥門推拉桿（10）過盈配合，填料壓套（2）與閥門推拉桿（10）間隙配合，填料壓板（1）與閥門推拉桿（10）間隙配合，彈簧（7）空套在閥門推拉桿（10）上，密封圈（6）與閥門推拉桿（10）過盈配合。

結(jié)構(gòu)可以保證用于密封的盤根不僅強度高，耐熱耐腐蝕，抗沖刷，且摩擦系數(shù)低，自潤滑性能好，而且具有很高的柔性、回彈能力和浮動性能，柔性石墨和聚四氟乙烯的混合填料，顯著提高了盤根的抗剪切、抗拉性能，且有利于產(chǎn)生迷宮效應(yīng)。四層盤根與兩次密封圈的組合使用，大幅提高了閥門的密封性能，氣缸腐蝕及卡死現(xiàn)象大大減少，提高了使用壽命，節(jié)省了維護成本。

2.2 改性橡膠密封圈材料

為了保證氣動圓頂閥的正常工作，既能實現(xiàn)良好的密封性，又能減少閥芯與橡膠密封圈之間的不必要磨損，必須設(shè)計有效合理結(jié)構(gòu)和裝置來完成自動控制功能。氣動圓頂閥的關(guān)斷是由一個球形閥芯和一個充氣的橡膠密封圈來實現(xiàn)的，閥芯是一個球面圓頂，在開關(guān)過程中，閥芯與橡膠密封圈間保持有約0.4～0.6mm的間隙，使閥芯與橡膠密封圈可以以無接觸的方式運動，目的是使閥芯與橡膠密封圈之間不產(chǎn)生摩擦，減少磨損。氣動執(zhí)行元件為雙作用直線氣缸，通過轉(zhuǎn)臂驅(qū)動圓頂閥閥芯轉(zhuǎn)動。當(dāng)圓頂閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，橡膠密封圈充氣，膨脹緊緊地壓在球面圓頂閥芯上，從而形成一個非?？煽康拿芊猸h(huán)帶，阻止了管道內(nèi)物料的流動。其包括3個狀態(tài)：（1）常態(tài)：閥芯處于關(guān)閉位置時，轉(zhuǎn)臂上的調(diào)整螺釘壓住二位三通機控滑閥的頂桿，氣源對密封圈供氣，壓力表顯示出作用在密封圈上的壓力。（2）打開狀態(tài)：直線氣缸開始動作的瞬間，轉(zhuǎn)臂上的調(diào)整螺釘脫離二位三通機控滑閥的頂桿，其密封圈內(nèi)的空氣從排氣孔中排出，此時閥芯開始轉(zhuǎn)動。為達到閥芯轉(zhuǎn)動過程中閥芯與密封圈之間不接觸的目的，在密封圈的進氣口處加裝一只快速排氣閥，使密封圈內(nèi)的空氣從快速排氣閥的排氣孔中直接快速排出。（3）關(guān)閉狀態(tài)：在關(guān)閉的指令下，氣缸開始反向動作，閥芯反向轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)至關(guān)閉狀態(tài)時，轉(zhuǎn)臂上的調(diào)整螺釘壓住二位三通機控滑閥的頂桿，氣源對密封圈供氣。

目前，國內(nèi)外作為火電除灰系統(tǒng)氣動圓頂閥中的密封圈多數(shù)采用丁腈橡膠材料（NBR）密封圈，氟橡膠（VITON）或乙丙膠（EPDM）作為主要材料。丁腈橡膠具有良好的耐磨性能和耐熱老化性能，但它的力學(xué)性能不好，抗拉強度較低，回彈能力較差，普通丁腈橡膠的耐溫性也不是很好。氫化丁晴膠（HNBR）為丁晴膠中經(jīng)由氫化后去除部份雙鏈，經(jīng)氫化后其耐高溫性（可達150℃）、耐候性比一般丁晴橡膠提高很多，耐油性與一般丁晴膠相近，較丁晴膠擁有較佳的抗磨性、抗蝕、抗張、抗撕和壓縮性;氟橡膠具有良好的耐高溫性能（可達250℃），但其在高溫下的抗拉強度較低。乙丙膠由乙烯及丙烯共聚合而成，因此耐熱性、耐老化性、耐臭氧性、安定性均非常優(yōu)秀，一般使用溫度為（50℃～150℃），但其抗張、抗撕較之氫化丁腈較差，回彈能力極差。上述材料不能同時具有優(yōu)良的綜合性能，仍有很大的提高空間。

密封圈是圓頂閥的關(guān)鍵部件。閥門無論在靜態(tài)的工作條件下，還是動態(tài)的開關(guān)過程中，密封圈都會在一定程度上出現(xiàn)老化或磨損現(xiàn)象。因此，由于抗撕裂性、彈性、耐磨性、耐高溫性等性能的不足，在早期損壞的閥門中，密封件的損壞，占有較大的比重。密封圈性能的提升，需要通過對密封圈材料和制造工藝的改進來實現(xiàn)。

由于閥門工作過程需要承受最高200℃的高溫，一般橡膠材料難以滿足要求，綜合考慮工作條件使用要求，產(chǎn)品采用氫化丁腈橡膠作為主要材料，并輔以其他特殊材料及工藝進行生產(chǎn)，具有很好的運動性能，同時具有很高的耐磨性和耐高溫特性，是密封圈的理想材料。

該密封圈通過在卡持部設(shè)置有卡槽，以及在吸盤部內(nèi)部設(shè)置有儲油的環(huán)形通道，在使用時，閥門的機械結(jié)構(gòu)與卡槽嵌合，并擠壓卡槽，使得吸盤部與閥門吸附固定，在松開后回彈迅速恢復(fù)形狀，并通過環(huán)形通道將油料擠出進行潤滑降低摩擦力，防止密封圈磨損，因此具有不易磨損、回彈能力好和受用壽命長的優(yōu)點，另外將氫化丁腈、聚丙烯纖維、乳膠粉和改性生膠制成粘度高的膠液，混合由硫酸鈣晶須、氧化鋅、炭黑、植物纖維粉末、硫磺和生石灰制成的填料，再結(jié)合纖維素醚、瀝青、溴代異氰酸酯、防老劑4.4'一雙（2.2-二甲基芐基）二苯胺、硫化劑二硫化苯并噻唑和軟化劑石蠟，提高了改性橡膠材料密封圈的韌性和抗拉性能，在使用時受到擠壓能夠?qū)εc閥門吸附固定，可減緩沖擊力，移除擠壓力后，密封圈可迅速回彈恢復(fù)形狀，并且降低與閥門的摩擦面積，使得密封圈的使用壽命得到延長。

2.3 耐磨閥體流道結(jié)構(gòu)

針對燃煤電廠所用的煤質(zhì)，由于采購區(qū)域煤質(zhì)成份不同，其含雜質(zhì)不同，煤矸石含量高的煤，燃燒不完全，顆粒大（沖刷強）、硬度高（造成閥門密封部位極易磨損）。一般材質(zhì)及經(jīng)熱處理的材料其硬度達不到要求，有些甚至低于煤矸石的硬度，極易受沖蝕，造成閥門使用壽命短。國外多個知名大公司具有生產(chǎn)同類閥門的技術(shù)能力，同時也實現(xiàn)了對市場的高額占有率，其中主要有英國的Clyde、日本的Kitz、瑞士的ABB、芬蘭的PNEUPLAN和德國的KSB等，但由于國內(nèi)火電用煤質(zhì)的情況特殊，其產(chǎn)品“水土不服”，使用效果不佳，壽命較低。

閥體流道表面涂覆有聚氨酯層，閥體流道內(nèi)設(shè)置有耐磨護環(huán)，耐磨環(huán)材料根據(jù)使用工況條件，采用硬質(zhì)合金、氧化鋯基耐磨陶瓷、氧化鋁基耐磨陶瓷、碳化硅基耐磨陶瓷、莫來石基耐磨陶瓷、氧化硅基耐磨陶瓷等材料，提高耐磨、抗沖蝕性能、抗高溫氧化性。

2.4 根據(jù)閥芯自身的結(jié)構(gòu)特點專門設(shè)計的專用組合夾具

本夾具包括箱體座、轉(zhuǎn)動圓盤、前定位塊、后定位塊、夾具體、調(diào)節(jié)螺母、閥芯頂緊塊、止轉(zhuǎn)塊、可換支撐塊、橫向距離微調(diào)導(dǎo)槽、縱向距離微調(diào)導(dǎo)槽、階梯軸、橫向凹槽、縱向凹槽、橫向距離粗調(diào)孔、縱向距離粗調(diào)孔、固定螺栓、螺母、墊片。本發(fā)明適用于加工整體式圓頂閥半球面閥芯，并采用復(fù)合加工中心專用組合夾具實現(xiàn)快速裝夾定位。將半球面閥芯十字型凸臺放置于夾具體頂部半球面上的十字型凹槽內(nèi)，利用調(diào)節(jié)螺母將閥芯頂緊塊頂緊閥芯兩側(cè)的圓柱形凸臺，并用前后定位塊卡緊兩側(cè)的圓柱型凸臺，夾具體和定位塊都固定在轉(zhuǎn)動圓盤上，當(dāng)轉(zhuǎn)動圓盤通過止轉(zhuǎn)塊固定在箱體座上，對閥芯兩側(cè)圓柱型凸臺兩端面進行銑削，對預(yù)制毛坯孔鏜孔，將止轉(zhuǎn)塊去掉后，驅(qū)動裝置帶動轉(zhuǎn)動圓盤旋轉(zhuǎn)，進行閥芯半球面的精加工。本方法是根據(jù)閥芯自身的結(jié)構(gòu)特點專門設(shè)計的專用組合夾具，只需一次裝夾就可以完成幾道工序的加工，減少了積累誤差，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了成本，適用于圓頂閥半球面閥芯的批量生產(chǎn)。

3 ?結(jié)語

物料氣力輸送系統(tǒng)由于其封閉性，具有很強的環(huán)境保護功能。同時系統(tǒng)簡單，可任意改變其輸送方向等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要用于燃煤電廠的飛灰處理及各種物料的輸送，也可以用于水泥、化工、塑料、糧食和食品等行業(yè)的輸送。其特點是：全密封輸送，無任何泄漏，對環(huán)境無污染，系統(tǒng)工作可靠性強，全部自動化無人控制，運行成本低，是一種理想的輸送設(shè)備，對環(huán)境保護有重要作用。氣力輸送系統(tǒng)具有傳統(tǒng)機械輸送所不具備的優(yōu)越性能，因而愈來愈受到各行各業(yè)的重視，成為實際應(yīng)用中較理想的輸送方式，市場前景廣闊。

參考文獻

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