新式止回閥在煉鋼余熱鍋爐中的應用

高 敏,孫高峰,趙英春

(煙臺國冶冶金水冷設備有限公司,山東 煙臺 265500)

1 概 述

隨著“雙碳”政策的施行,我國工業產業中的鋼鐵產業也受到了一定的壓力,擴張速度不及以前那么迅猛,但這并不是表明鋼鐵產業不再需要發展,經過前面幾十年的不斷提升,我國的鋼鐵產業體量上位居世界第一,粗鋼產量多年蟬聯世界第一,但以前那種粗放型的鋼鐵產業擴張模式已經不再能匹配我國目前的國情,正是因為國家提出了“雙碳”政策,鋼鐵產業必須從“高速度發展”提高到“高質量發展”的層面,煉鋼企業要推行高質量發展,首先就應該提升本企業的節能減排,煉鋼是高耗能大戶,但耗能的同時也產出著豐富的余熱資源,尤其是在中國這么一個鋼產量位居世界首位的國家,余熱資源更是特別豐富。提高余熱回收水平對鋼鐵企業是非常重要的[1]。

為鋼廠配套的余熱鍋爐,長期在高溫高壓且具有周期性變化的工況下運行,管道及閥門的功能穩定性對生產運行安全至關重要[2-7]。其中,止回閥也被叫做逆止閥、逆流閥、單向閥等,在余熱鍋爐管道系統中防止水回流沖擊,避免泵及電機反轉,盡可能地減少水錘效應的影響[8-10],也可降低能源損耗。止回閥作為余熱鍋爐系統中的重要零部件,阻斷水或蒸汽的反向流動,對鍋爐系統安全運行有著關鍵作用。

目前,市場常見的止回閥主要有旋啟式、升降式、蝶式、球形、隔膜式等,在實際運行中發現其通常存在一些不足[11-12]。使用介質黏度大或含固體顆粒介質較多的工況下,會導致旋啟式止回閥搖桿的開啟狀態不靈敏,造成密封失效,對工作介質的止回作用不可靠。升降式止回閥密封性能好于旋啟式,但存在流阻大,能源消耗多的瑕疵。蝶式止回閥只能在水平管道上安裝,密封性能也差,且阻力及水錘沖擊都較大。球形止回閥需要維護周期短。而隔膜材料決定了隔膜式止回閥的使用溫度和壓力不能滿足鍋爐工況。

因此采用了一種新式止回閥,其內部啟閉件是圓筒形筏瓣,可靠自身重量及工質壓力而動作來使工質通斷,具備手動自動雙用功能。這個產品的閥門同時具有截止和止回的功能,既能水平安裝也能垂直安裝使用,手輪逆時針旋轉將閥桿全部打開,水流沖擊作用將閥瓣平穩打開,水流正常通過,如果遇到突發情況,閥瓣能夠及時通過自身的重量按固定的45°自由滑落將密封面封閉,將水流截停止回,避免發生水錘現象而造成不必要的設備和管路損壞,后期可以再用手輪順時針將閥桿關閉鎖緊。在使用性能,安全性能等方面相對于以往通用型的止回閥有很大的本質提升。

2 新止回閥的工作原理及結構特點

本止回閥是一種新型手動自動雙用Y型止回閥,主體結構鑄件采用球墨鑄鐵材質。結構如圖1所示,包括閥體、密封件、閥蓋、填料等,閥體和閥蓋材料的化學成分和機械性能符合ASTM A536(65-45-12),抗拉強度≥450 MPa,屈服強度≥310 MPa的要求,閥門部件大多采用鑄造成型,可根據閥門的使用介質,使用性能,安全性,腐蝕性等要求[13-16],將該止回閥閥門的材質采用鑄鋼形式,從而進一步提升該止回閥的各方面使用性能。閥桿移動軌跡中心線與工作介質通道中心線成45°銳角,便于閥瓣通過自身的重量按此角度自由滑落將密封面封閉。

圖1 新式止回閥結構

本產品添加了手輪控制機構,手輪轉動可控制閥桿動作,可將閥門封閉鎖緊。本產品有密封性能優良、水錘沖擊效應小等優點。另有如下結構特點:

(1)一體成型的閥體內 “Y”型通道的直徑大于閥門兩端法蘭的內徑,由此増大了流體的流通面積,降低了介質阻力,減少或消除了水錘現象。

(2)閥體上方安裝有閥瓣,閥瓣采用了空心結構,重量輕,配套使用了減震活塞環密封件,具有一定的緩沖減震作用,且具有使用壽命長的特點。

(3)閥體密封圈和閥瓣密封圈安裝時成對配合研磨后裝入閥體,保證兩者在閥座端面上接觸均勻并且讓兩者有一定的活動空間,然后將導套裝入閥體,使導套與閥體密封圈的間隙及導套與閥體內側圓的間隙均勻,保證閥桿旋轉流暢,最后裝入閥體上,使整個閥門運轉可靠。

(4)本止回閥同時具備滿足液體和氣體的使用條件,耐高溫高壓,安全性能滿足余熱鍋爐體系要求。

本新式止回閥結構設計可靠,幾乎無需額外維護。

3 閥體強度計算及質量檢驗

止回閥的閥體作為整個設備的承壓件,其質量約占整個閥門質量的70%,其壁厚及質量如有問題,會導致泄漏、熱停車等情況,打斷了正常的生產節奏,故閥體的強度計算和安全校核應引起關注。

根據第四強度理論的“畸變能密度引發材料屈服”,按承受內壓的圓筒,計算閥門最小需要壁厚:

式中:t為筒體最小需要壁厚,mm;tB為名義壁厚,設計給定,mm;p為計算壓力, MPa;Dn為設備內徑,mm;[σ]為材料的許用應力, MPa;φ為焊縫減弱系數 (≤ 1) ;c為厚度附加量,1～5 mm。

4 結 語

一套煉鋼余熱鍋爐系統,安裝的閥門數量種類眾多,從煉鋼余熱鍋爐的實際使用工況分析,常見的止回閥還有改進的余地,故采用了新式止回閥結構。該閥在閥瓣卡阻的時候,可以進行手動操作,在滿足多功能要求的同時,降低了設備運行成本。