廢熱煙道超高溫蝶閥

                                廢熱煙道超高溫蝶閥

                                上海申弘閥門有限公司
0 廢熱煙道超高溫蝶閥引言

之前介紹自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理，現(xiàn)在介紹渤海石油BZ26-2油氣田透平發(fā)電機(jī)廢熱旁通煙道蝶閥，在調(diào)節(jié)開度過程中閥桿突然斷裂，閥板彎曲變形，固定閥板與閥桿的螺栓全部斷裂，安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥座在與閥體焊接的焊口處斷裂。蝶閥的公稱直徑為1240mm，蝶閥的動(dòng)作形式為氣動(dòng)，用于調(diào)節(jié)參與換熱的廢熱煙氣的流量大小，工作溫度400℃，工作時(shí)閥門動(dòng)作比較頻繁，不工作時(shí)處于常開狀態(tài)。本文通過對閥桿與閥座在使用過程中的受力情況進(jìn)行分析，得出了斷裂的主要原因，并提出了可行的改進(jìn)措施。蝶閥工作示意圖所圖1所示。廢氣旁通閥，包括由閥體、密封閥門、軸套構(gòu)成的閥門組件，和由上、 下蓋、支承盤，彈簧、膜片構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；閥體內(nèi)有閥腔，在其上有進(jìn)、 出氣口；軸套壓入閥體內(nèi)，密封閥門支持在軸套內(nèi)，并可在閥腔內(nèi)滑動(dòng)； 下蓋與軸套和閥體聯(lián)接；上蓋裝在下蓋上，兩者之間形成一個(gè)密閉的空腔； 支承盤和彈簧放置在空腔內(nèi)，支承盤與密封閥門的上端連接，膜片一端壓 緊在支承盤上，另一端壓緊在上、下蓋之間，膜片將由上、下蓋之間的空 腔分隔成上、下兩個(gè)密封腔室，在上蓋和下蓋上分別裝有背、正壓進(jìn)氣嘴。 本實(shí)用新型通過氣壓的調(diào)節(jié)達(dá)到調(diào)節(jié)增壓器轉(zhuǎn)速，控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率， 適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的進(jìn)氣需求，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率和滿足各 種排放標(biāo)準(zhǔn)的目的。采用負(fù)壓控制的增壓器進(jìn)行試驗(yàn),對比廢氣旁通閥不同初始開度下催化器起燃時(shí)間、部分工況油耗、倒拖扭矩的差異,借以研究增壓器廢氣旁通閥全開、全閉兩種狀態(tài)下的優(yōu)劣勢。結(jié)果顯示:廢氣旁通閥全開狀態(tài)下,能夠縮短催化器起燃時(shí)間,降低部分負(fù)荷油耗和倒拖扭矩,提高燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)3%。滿足日益嚴(yán)格的油耗及排放法規(guī)要求,同時(shí)滿足客戶對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性需求,渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的使用愈來愈廣泛。增壓技術(shù)原意在于強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作,提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率,對汽車節(jié)能來說具有積極意義。此外增壓使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)充氣量大幅度上升,較自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)來說,有利于提高



1、廢氣旁通閥，其特征包括閥門組件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述閥門組件包括 閥體、密封閥門、軸套、鎖緊螺母；所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括上蓋、下蓋、支承 盤，彈簧、膜片、壓緊螺母；在閥體內(nèi)設(shè)有一閥腔，并在閥體上設(shè)有與閥 腔相通的進(jìn)、出氣口；軸套從閥體的上部壓入閥體內(nèi)，密封閥門支持在軸 套內(nèi)，并可在閥體的閥腔內(nèi)自由滑動(dòng)；下蓋套在軸套上，并通過旋在軸套 上的鎖緊螺母與軸套和閥體緊密聯(lián)接；上蓋通過緊固件安裝在下蓋上，上、 下蓋之間形成一個(gè)密閉的空腔；支承盤和彈簧由下而上放置在這個(gè)空腔內(nèi)， 支承盤與密封閥門的上端通過緊固件連接，膜片的一端通過壓緊螺母壓緊 在支承盤上，另一端被壓緊在上、下蓋之間，膜片將由上蓋和下蓋構(gòu)成的 空腔分隔成上、下兩個(gè)密封腔室，其中支承盤和彈簧位于上密封腔室內(nèi)； 在上蓋和下蓋上分別裝有背壓進(jìn)氣咀和正壓進(jìn)氣咀。

1.用來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的制冷量，使其與蒸發(fā)器的負(fù)荷相適應(yīng)。
2.安裝在制冷系統(tǒng)中的高壓側(cè)或低壓側(cè)的旁通管路上，通過旁通管路將高壓側(cè)的熱氣送入低壓側(cè)，以代替部分負(fù)荷。從而使壓縮機(jī)的吸氣壓力不低于低的極限值。
3.有內(nèi)平衡、外平衡兩種形式。
4.特點(diǎn):1)壓力調(diào)節(jié)方便;2)易于安裝;3)制冷量和操作范圍寬。

1 廢熱煙道超高溫蝶閥閥桿與閥座受力分析

1.1 閥板結(jié)構(gòu)

蝶閥的閥板的開啟是由閥桿夾持閥板轉(zhuǎn)動(dòng)來完成開啟和閉合的，閥桿的直徑只有40.3mm，中間銑有8mm的開口槽，閥板安放在槽內(nèi)，用M8螺栓固定，以閥桿的兩端為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。閥板全部開啟為非工作狀態(tài)，由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)閥桿調(diào)節(jié)閥板的開度大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)煙氣流量參與換熱的多少。此種類型的蝶閥結(jié)構(gòu)比較簡單，便于安裝。但是閥桿的末端會存在8mm的開口槽，不能形成整圓，對軸套磨損非常嚴(yán)重，此種結(jié)構(gòu)的閥桿強(qiáng)度較低，容易變形。



圖1 蝶閥工作示意圖



圖21.閥體2.閥板3.閥桿4.緊固螺栓

1.2 受力分析

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥現(xiàn)場取出的閥桿是從夾持閥板的終端斷裂的，但同時(shí)閥桿有很大程度的彎曲，閥板在邊緣處被撕裂出50mm長的裂縫，裂口處有閥桿觸碰過的痕跡，閥板沿閥桿方向由中間向兩端整體彎曲。從斷面的情況和閥板上損壞的痕跡來判斷，很明顯閥桿是被扭斷。從蝶閥的結(jié)構(gòu)中不難看出在閥桿斷裂處的轉(zhuǎn)矩值大，它等于閥板重力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和閥桿末端在閥體的襯套內(nèi)由于閥桿與閥板的重力所產(chǎn)生的摩擦力形成的轉(zhuǎn)矩，雖然在實(shí)際工作中煙道內(nèi)的煙氣會產(chǎn)生一定的壓力，但是蝶閥的閥板是圍繞對稱軸旋轉(zhuǎn)，它兩側(cè)的受力不同，在閥板動(dòng)作時(shí)，一側(cè)將產(chǎn)生阻止閥板動(dòng)作的力，另一側(cè)產(chǎn)生幫助閥板動(dòng)作的力，這兩種力可以相互抵消忽略不記?？梢愿鶕?jù)閥桿的受力情況，對其進(jìn)行受力分析，并校核閥桿的抗扭強(qiáng)度。

根據(jù)閥桿的受力情況（圖4），將閥桿簡化成如圖5的力學(xué)模型，在A、B、C三點(diǎn)分別存在轉(zhuǎn)矩，根據(jù)靜力學(xué)平衡方程可求得MA。



圖3 閥桿斷口



圖4 閥桿受力示意圖

根據(jù)ΣM=0，有MA-MB-MC=0，可以得出MA=MB+MC。其中：MB等于閥板重力G1的1/2與單面閥板的重心到蝶閥回轉(zhuǎn)軸線的距離L的乘積MB=L×G1/2=0.5×370=185N·m；Mc等于閥桿與閥板總的重力作用在閥桿與閥體套上的摩擦力與閥桿直徑d的1/2的乘積。因?yàn)殚y桿和襯套的材質(zhì)均為不銹鋼，所以摩擦因數(shù)μ取0.15，故MC=d·μ·G2=0.2×750×0.15=22.5N·m。

將MB和MC數(shù)值代入公式，得

MA=MB+MC=185+22.5=207.5N·m。

從而得出軸在危險(xiǎn)截面處（斷裂部位）的轉(zhuǎn)矩值T=207500N·mm。剪切應(yīng)力計(jì)算公式為



式中：τ為危險(xiǎn)截面的切應(yīng)力，MPa；［τ］為材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，由于閥桿材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，所以值取20MPa；T為軸危險(xiǎn)截面處所承受的轉(zhuǎn)矩，N·mm；WT為軸危險(xiǎn)截面的抗扭截面系數(shù)，mm3；n為軸的轉(zhuǎn)速，取10r/min；d為軸危險(xiǎn)截面的直徑（中間有豁口，按0.8倍直徑計(jì)算），mm。將MA代入上式得τ=3MPa，［τ］值為15~25MPa，所以τ<［τ］。這說明閥桿所受的剪切應(yīng)力很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，閥桿在危險(xiǎn)截面處有足夠的強(qiáng)度，這樣小的轉(zhuǎn)矩是不可能將閥桿扭斷的。

以上的分析證明了正常工作中的調(diào)節(jié)不能扭斷閥桿，那么就要考慮工作環(huán)境的影響和蝶閥如何出現(xiàn)故障導(dǎo)致閥桿折斷。

1.3 斷裂原因分析

閥桿和閥門全部都有彎曲的現(xiàn)象，但從彎曲的方向來看不是扭轉(zhuǎn)造成的，那*的解釋就是煙道內(nèi)的煙氣在閥板上有一定的壓力。根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行分析：蝶閥主要是用來調(diào)節(jié)煙氣的流量，在其關(guān)閉狀態(tài)下整個(gè)閥板將承受約0.05MPa的壓力，閥板的受力面積較大，它只是在回轉(zhuǎn)軸上有兩個(gè)約束點(diǎn)，這樣很容易產(chǎn)生彎曲變形，圖6中是閥板模型在受力分析軟件中的模擬變形情況，在加載0.05MPa后，有很明顯的彎曲變形。



圖5 閥桿簡化受力模型

 

圖6 閥板模型受力分析圖

閥板和閥桿一直處在400℃左右高溫下工作，不銹鋼在高溫下受力將產(chǎn)生蠕變，雖然不銹鋼抗蠕變性能較好，但是閥板受壓變形較大，在高溫下也會產(chǎn)生*的彎曲變形。板產(chǎn)生自中間向兩端的彎曲變形，閥桿由于和閥板用螺栓連接在一起，也跟隨閥板一起彎曲，假設(shè)沒有螺栓固定的情況下，閥桿一定會相對于閥板產(chǎn)生位移，那么在閥板彎曲的過程中，螺栓受閥桿和閥板的剪切，另外透平機(jī)組并不是一直以來連續(xù)工作，也是兩臺機(jī)組交替工作，工作和不工作的溫差很大，固定閥板的螺栓與螺母很容易松動(dòng)，又由于閥板一直在調(diào)節(jié)動(dòng)作，作用在閥板上的力不是恒定的，隨著受力的變化，螺栓一次又一次地被剪切，螺栓終被剪斷，螺栓剪斷后，蝶閥仍在工作，但閥板已經(jīng)不能被有效地定位，在調(diào)節(jié)開度的過程中會刮蹭到閥體，不能正常的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得閥桿上的轉(zhuǎn)矩成倍地升高，終導(dǎo)致閥桿斷裂。

從圖3的斷口照片中不難看出，閥桿并非一次性折斷，而是先產(chǎn)生裂紋，隨后裂紋逐漸增大，終被剪斷，這是由于閥桿夾持閥板的結(jié)構(gòu)形式使得危險(xiǎn)截面面積大大的減小造成的，另外截面變化陡峭沒有過渡圓角和高溫下工作也是加速閥桿斷裂的重要因素。

泛指工廠無回收設(shè)備而直接或間接排放稱之。直接排放多針對氣體而言，包括蒸汽鍋爐、熱媒鍋爐、焚化爐、加熱爐、電弧爐、水泥窯等的煙道氣體排放，其中多數(shù)仍有相當(dāng)?shù)臒崮芪幢挥行Ю?。間接排放主要以制程因操作單元及系統(tǒng)需求，需用水冷或氣冷等方式間接移除制程內(nèi)熱能以滿足后續(xù)程序所需，既使產(chǎn)品或制程排放水亦需進(jìn)一步冷卻，以達(dá)到適合貯存及廢水處理的要求。需朝定性、定量兩方面來考慮。定性者即是否連續(xù)性，有很多間歇性的熱能排放較無法有效回收，譬如煉鋼所需的電弧爐、轉(zhuǎn)爐、精煉爐等都采批次作業(yè)，即使有大量熱能釋出，截至目前尚無較經(jīng)濟(jì)有效的熱能回收方式，比較可行的是利用電弧爐的高溫排放來預(yù)熱廢鐵進(jìn)料，但這往往因位置空間的限制，無法在既有廠區(qū)內(nèi)作有效熱回收的改善，需在初始規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)即列入考慮為宜，目前國內(nèi)煉鋼近二十家業(yè)者，僅有一家朝此改善努力。另外，熱能載體的流量溫度亦相當(dāng)重要，溫度越高，越有利用價(jià)值。 所謂定量系對熱能載體流量而言，流量越穩(wěn)定，越具有回收價(jià)值。實(shí)際上在設(shè)計(jì)廢熱回收系統(tǒng)時(shí)，定性與定量兩者需同時(shí)考慮，方能規(guī)劃較具經(jīng)濟(jì)效益，又能操控穩(wěn)定較長使用壽命才能符合需求。 

一)空氣預(yù)熱 
蒸汽鍋爐、熱媒鍋爐及加熱爐等，利用其排放高溫與空氣換熱，可提升燃燒空氣溫度，降低排氣溫度達(dá)到回收廢熱目的。終排氣溫度需顧及酸露點(diǎn)，避免腐蝕影響設(shè)備使用壽命。 以燃油1 %硫份而言，換熱器(預(yù)熱器)冷端管壁溫度不得低于110℃；硫份0.5%，管壁溫度不得低于80℃。此處需強(qiáng)調(diào)的是管壁溫度非排氣溫度。 

(二)鍋爐飼水預(yù)熱 
蒸汽鍋爐及其它加熱爐的高溫排氣可用來預(yù)熱鍋爐飼水，因氣水熱傳較氣氣
熱傳高，相對其熱傳面積可較小，比空氣預(yù)熱器來的經(jīng)濟(jì)些。其它較高溫的排氣
如加熱爐或水泥窯等，甚至可設(shè)置廢熱鍋爐來產(chǎn)生蒸汽。

(三)鍋爐連續(xù)排放顯熱回收 
一般低壓鍋爐采用間歇性排放，不利于回收。飼水泵浦采高低液位補(bǔ)充進(jìn)水，不僅造成大量爐水挾帶影響蒸汽質(zhì)量，且爐水水質(zhì)變化差異大，不當(dāng)?shù)拈g歇性排放造成無謂熱損失及水資源流失。 采用連續(xù)進(jìn)水及排放，不僅水質(zhì)控制穩(wěn)定，減少排放量，亦可減少化學(xué)品添加量。 

(四)除氧柜排氣熱回收 
除氧柜利用蒸汽吹驅(qū)鍋爐飼水中氧氣。除氧柜蒸汽排放量0.5~1.0%。 利用此排氣溫度，可預(yù)熱進(jìn)除氧柜的補(bǔ)充水，可相對減少吹驅(qū)蒸汽用量，達(dá)到節(jié)能效果。 
(五)冷凝水回收槽閃沸蒸汽熱回收 
一般而言，冷凝水回收是提高鍋爐效率顯著，且回收報(bào)酬率大的方式。不僅熱量回收，且水資源及化學(xué)品皆可相對節(jié)約。 高壓冷凝水經(jīng)卻水器降壓后即形成閃沸蒸汽，經(jīng)回收管至貯槽排氣口排放，不僅熱能浪費(fèi)，亦造成水資源的流失?？稍谶M(jìn)回收槽前裝設(shè)熱交換器來預(yù)熱補(bǔ)充水，或在排氣口裝預(yù)熱冷凝器回收熱能及水資源。 冷凝水回收需考慮制程污染，輕微污染可藉由活性碳及過濾等方式處理。污染嚴(yán)重則需找出污染源盡速修復(fù)。

(六)壓縮機(jī)壓縮熱回收 
空氣壓縮機(jī)的壓縮熱可用來再生儀表空氣用的干燥機(jī)內(nèi)干燥劑。經(jīng)過壓縮后的空氣，壓縮比愈大溫度愈高，以往直接用冷卻水將空氣冷卻，未能有效利用此壓縮熱。目前國外許多空氣干燥機(jī)廠商紛紛推出壓縮熱回收干燥機(jī)(Heat of Compression dryer)。事實(shí)上，將現(xiàn)有管路加以修改即能達(dá)到相同的功能。 



其優(yōu)點(diǎn)： 
(1) 回收壓縮熱再生干燥劑。 
(2) 取消或節(jié)省再生加熱器所需電能或熱能。 
(3) 無吹驅(qū)損失。 
其缺點(diǎn)： 
(1) 壓縮機(jī)負(fù)載變化時(shí)，壓力露點(diǎn)溫度改變。 
(2) 壓力露點(diǎn)溫度-18℃~4℃，可能無法滿足需求。 
(3) 僅適用于無油式壓縮機(jī)。 2 改進(jìn)措施

2.1 廢熱煙道超高溫電動(dòng)蝶閥需解決的幾個(gè)問題

根據(jù)分析結(jié)論可以得出，要想解決閥桿斷裂的問題必須從以下幾個(gè)方面入手：1）提高閥板的強(qiáng)度，防止其彎曲變形；2）改變閥桿的結(jié)構(gòu)形式，增大危險(xiǎn)截面面積；3）提高連接螺栓的強(qiáng)度；4）制作完成后進(jìn)行必要的熱處理，增強(qiáng)抗蠕變性能。

2.2 改進(jìn)措施

1）根據(jù)閥桿的彎曲變形形式，要增加閥板的抗彎曲強(qiáng)度，單一的平板顯然是不能夠滿足使用要求的（圖7），可以將整塊閥板分成兩塊，焊接在一根套管上，然后再通過增加筋板來提高強(qiáng)度，如圖8所示，閥桿從套管中穿過與其間隙配合，這樣就避免了閥桿夾持閥板的形式，增加了閥桿危險(xiǎn)截面的面積；在閥桿的末端也形成了整圓，減少了磨損；在套管和閥桿上鉆若干個(gè)孔，用螺栓連接，但螺栓要采用鉸制孔螺栓，并且強(qiáng)度等級高、耐高溫性能好的耐熱鋼螺栓，然后采取*性防松的措施，防止因?yàn)槔錈峤惶娴那闆r下螺母松落，閥板焊接完成后要進(jìn)行固溶處理＋時(shí)效，得到適當(dāng)?shù)木Я６?，并改善?qiáng)化相的分布狀態(tài)。



圖7 原蝶閥板模型



圖8 原閥板改進(jìn)后模型

2）另外一種改進(jìn)方式是重新制作一個(gè)閥板，改片板為雙片板，中間插入截面與兩閥板所形成夾角一致的閥桿，閥桿的兩端仍是和閥體配合的圓柱，閥板的兩個(gè)邊角緊貼并進(jìn)行焊接，這樣在閥板的中間形成了類似菱形截面的空管，增強(qiáng)了閥板整體抗彎曲變形的能力，閥桿和閥板的連接固定方式可用不銹鋼螺栓連接，也采取*性防松的措施，如圖9所示。



圖9 新設(shè)計(jì)閥板模型

3）本蝶閥主要是在設(shè)計(jì)上存在缺陷，沒有充分考慮閥板所受的壓力，及高溫下金屬產(chǎn)生蠕變的特性，對于此蝶閥能改造的只是閥板，如果從整體更換的角度考慮我們可以借鑒風(fēng)閘的原理，考慮將閥板做成兩個(gè)分體，有兩個(gè)軸，這樣閥板的強(qiáng)度會得到大幅度提高，更能適應(yīng)高溫、頻繁切換的工況，如圖10所示。



圖10 雙閥板結(jié)構(gòu)模型

3 結(jié)語

通過對閥桿斷裂問題的分析，從理論上*弄清楚了其斷裂的主要原因和斷裂過程，并提出了相應(yīng)的解決方案和措施，為海上油氣田的生產(chǎn)提供了有利保障，間接地提高了經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)備中出現(xiàn)的問題不能只是一味地更換配件和修復(fù)，應(yīng)該找出問題的根源，*解決問題，才能保障設(shè)備更長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：1150度高溫蝶閥在催化裂化裝置應(yīng)用