高速無泄漏脈沖反吹閥的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

2011年第2期液壓與氣動(dòng)3高速無泄漏脈沖反吹閥的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究李敏哲,楊軍社,周養(yǎng)論,姜斌ThedesignandexpermientalstudyofhighspeedleekfreepulsepurgevalveLIMinzhe,YANGJunshe,ZHOUYanglun,JIANGBin(航天十一所西安航天遠(yuǎn)征流體控制股份有限公司,陜西西安710100)摘要:針對(duì)脈沖反吹閥在Shell粉煤氣化工藝系統(tǒng)中的使用要求。介紹了反吹閥的工作原理,并結(jié)合特種閥門產(chǎn)品的研發(fā)過程,對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝等進(jìn)行了討論和分析。性能試驗(yàn)結(jié)果表明:該閥門達(dá)到了耐高溫、響應(yīng)速度快、關(guān)閉后無泄漏的要求,滿足了Shell粉煤氣化裝置的工況需要,對(duì)保證工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)用有效的。關(guān)鍵詞:脈沖閥;殼牌粉煤氣化工藝;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);制造工藝中圖分類號(hào):TH138文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):10004858(2011)02000304引言脈沖反吹閥是Shell粉煤氣化裝置中陶瓷高溫高壓飛灰過濾器濾芯在線反吹清潔系統(tǒng)的重要裝置。用以保證濾芯反吹清潔后壓降不超過4kPa(正常為2kPa),防止過濾元件損壞失效導(dǎo)致的整個(gè)煤氣化工藝系統(tǒng)故障。同時(shí),該閥門還直接參與著反吹清潔的控制過程,需承受高溫、高壓粗合成氣的直接腐蝕,開關(guān)頻繁,并要求在高壓差條件下產(chǎn)生脈沖氣流。因此,對(duì)脈沖反吹閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和材料選擇均提出了很高的要求,造價(jià)昂貴,頗受業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。挖掘機(jī)大臂提升帶動(dòng)散枕裝置上升到一定高度后,挖掘機(jī)向道床行走。將伸縮液壓缸開關(guān)指向散開位置,散枕液壓缸伸出,同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況將旋轉(zhuǎn)頭開關(guān)指向左旋或右旋,挖掘機(jī)行走到位后,軌枕旋轉(zhuǎn)并已散開到位,將旋轉(zhuǎn)頭開關(guān)旋轉(zhuǎn)至中位,伸縮液壓缸開關(guān)旋轉(zhuǎn)至中位;挖掘機(jī)大臂下降帶動(dòng)散枕裝置下降至軌枕落到道床上,按住夾持液壓缸的松枕按鈕約5s左右,松開軌枕;挖掘機(jī)大臂再次提升帶動(dòng)散枕裝置上升,將伸縮液壓缸開關(guān)指向收縮位置,伸縮梁收縮,同時(shí)將旋轉(zhuǎn)頭開關(guān)指向右旋或左旋,散枕裝置回到收縮狀態(tài);本組軌枕散布工序完成,循環(huán)操作進(jìn)行下組軌枕的散布作業(yè)。收稿日期:20100917作者簡(jiǎn)介:李敏哲(1979),男,陜西西安人,工程師,碩士,主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和石化特種閥門等方面科研工作。1反吹閥設(shè)計(jì)要求(1)反吹氣:高壓氮?dú)饣蚝铣蓺?含有H2S、Cl和NH3等);(2)壓力:進(jìn)出口脈沖壓差p=3~4MPa;(3)溫度:反吹清潔氣溫度必須大于225;(4)速度:閥門最大脈沖反吹時(shí)間不得大于300ms;-4結(jié)束語散枕裝置作為CRTS型雙塊式無砟軌道施工的重要設(shè)備,研究設(shè)計(jì)好其液壓系統(tǒng),特別是控制散枕裝置回轉(zhuǎn)起動(dòng)制動(dòng)的平穩(wěn)性、散枕的同步性以及實(shí)現(xiàn)松開軌枕的限速鎖緊,對(duì)于散枕裝置能夠完成轉(zhuǎn)、抓、夾、收、放軌枕,達(dá)到布枕操控靈活、定位準(zhǔn)確以及安全防護(hù)的目的具有重要作用。參考文獻(xiàn):[1]何華武.無碴軌道技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.[2]劉育賢.武廣客運(yùn)專線無碴軌道施工設(shè)備縱向模板安裝機(jī)、模板拆洗機(jī)、散枕裝置、物流平車[J].鐵道建筑技術(shù),2008,(2):11-14.[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4卷)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.4液壓與氣動(dòng)(5)閥門經(jīng)高速高壓頻繁動(dòng)作后,長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉時(shí),2011年第2期泄漏量為零;(6)閥門工況下使用100000次無故障。2反吹閥工藝工況反吹閥置于高溫高壓陶瓷飛灰過濾器的頂部,垂直安裝,用以產(chǎn)生脈沖氣流,反向吹除附著在濾芯上的固體雜質(zhì)(濾餅)。設(shè)計(jì)工況下閥門反吹周期為442s,惡劣工況下為172s,并通過自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)動(dòng)作。(1)高溫、高壓粗合成氣本身含有腐蝕性氣體且夾帶無數(shù)微小顆粒粉塵,易產(chǎn)生酸性物質(zhì),并粘附在關(guān)鍵部件表面,腐蝕閥體及其內(nèi)件,促使閥門泄漏而無法使用;(2)閥門入口壓力0~8MPa可調(diào),反吹氣溫度必須大于225,否則清潔濾芯時(shí)設(shè)備內(nèi)部局部溫度會(huì)降至露點(diǎn)溫度以下,將產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕,且濾餅受潮影響反吹效果及縮短濾芯使用壽命;(3)嚴(yán)重工況下閥門最大脈沖反吹時(shí)間不大于250ms。使得閥門開關(guān)時(shí)間更短,動(dòng)作更頻繁,且沖擊力較大,將加劇閥門內(nèi)部密封件的磨損及密封組件的疲勞損壞;(4)閥門在高壓差脈沖氣流作用下,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具有快速響應(yīng)的能力,否則容易造成閥門打開或關(guān)閉遲緩,脈沖氣流量不足,影響濾餅的吹除效果。3反吹閥的設(shè)計(jì)3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)反吹閥的工藝工況,為了滿足高溫高壓、高速、無泄漏的設(shè)計(jì)要求,我們采取的方案是:高速大流量電磁閥作為先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng);通過聯(lián)軸器將執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥芯桿連接起來;閥門開度由極限限位開關(guān)來檢測(cè);由一個(gè)高精度的控制器控制閥門循環(huán)動(dòng)作;當(dāng)閥門出入口壓差達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互配合,可保證反吹閥關(guān)閉后無泄漏。反吹閥結(jié)構(gòu)如圖1所示,實(shí)物照片如圖2所示。圖2反吹閥實(shí)物圖工作原理:先導(dǎo)(控制)電磁閥2接受開啟信號(hào),控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)1通過聯(lián)軸器3帶動(dòng)閥芯桿5動(dòng)作,使反吹閥打開;當(dāng)閥門開度到達(dá)極限限位開關(guān)設(shè)定位置時(shí),自動(dòng)循環(huán)控制器給電磁閥換向信號(hào),控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)反向運(yùn)動(dòng),反吹閥關(guān)閉;當(dāng)閥門到達(dá)關(guān)閉位置后,再由自動(dòng)循環(huán)控制器確定間隔時(shí)間,進(jìn)行下一次循環(huán)動(dòng)作。反吹閥采用的是角式端法蘭連接結(jié)構(gòu),與其它反吹閥相比,有其本身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。(1)整體采用全通徑、角式結(jié)構(gòu),有利于高壓脈沖氣流的產(chǎn)生;同時(shí)閥體及其內(nèi)件均選用抗腐蝕性能好的材質(zhì),防止了粗合成氣的腐蝕。(2)閥座密封填料選用耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和不易斷裂與變形的特種工程塑料,使閥門的密封性能大大得到了改善,確保了整閥能夠長(zhǎng)期可靠地工作。(3)采用小直徑、超長(zhǎng)型金屬波紋管密封設(shè)計(jì),一方面防止了進(jìn)出口氣體的外泄漏,做到了嚴(yán)密密封,另一方面將大部分閥芯桿保護(hù)起來,減少了高壓粗合成氣的沖蝕和腐蝕,有效延長(zhǎng)了閥芯桿的使用壽命。(4)閥芯桿和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸通過導(dǎo)向套和聯(lián)軸器支撐并連接起來,保證了閥門動(dòng)作時(shí)的同軸性。同時(shí)導(dǎo)向套選用了耐高溫、高壓和耐磨性極好的特種材料,有效降低了閥芯桿支撐端的磨損;而且導(dǎo)向套還采用了防脫出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),防止了由于導(dǎo)向套脫出而造成偏磨。(5)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)提供的0.7~1.0MPa氣源壓力下,可以確保閥門在最大壓差下動(dòng)作的1.5倍輸出力,使閥門在一般超壓的情況下仍能保持穩(wěn)定的啟閉動(dòng)作;同時(shí)與高速電磁閥配合使用,可以迅速完成閥門的打開和關(guān)閉動(dòng)作。(6)控制電磁閥、極限限位開關(guān)是免維護(hù)的循環(huán)控制執(zhí)行裝置。一旦工藝系統(tǒng)發(fā)生意外(如停電或停氣等),將導(dǎo)致連鎖停車,對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。因此兩者聯(lián)合使用,會(huì)使閥門在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)處于1.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.控制電磁閥3.聯(lián)軸器4.極限限位開關(guān)5.閥芯桿6.波紋管組件7.閥座組件8.導(dǎo)向套關(guān)閉狀態(tài),提高了系統(tǒng)的安全性。3.2工藝特點(diǎn)(1)由于反吹閥要求在高壓差下確保嚴(yán)密密封,圖1反吹閥結(jié)構(gòu)圖2011年第2期液壓與氣動(dòng)4.2氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣系統(tǒng)5因此對(duì)密封閥蓋增加了高精研磨,達(dá)到了較高的平面度、密封面的高吻合度,并提高了密封性。(2)閥門開關(guān)頻繁,驅(qū)動(dòng)軸、閥芯桿、閥蓋、閥座和密封填料所受沖擊力較大。據(jù)用戶單位使用國(guó)外反吹閥所得到的經(jīng)驗(yàn),密封填料的抗沖擊強(qiáng)度不得低于41.8MPa,其余零件的熱處理硬度不得低于28HRC。(3)閥芯桿與導(dǎo)向套的配合間隙不宜過小,也不宜過大。由于材料在高溫下會(huì)發(fā)生熱脹現(xiàn)象,因此過小會(huì)發(fā)生抱死;過大會(huì)造成閥芯桿與導(dǎo)向套偏磨,因此根據(jù)所選材料及使用單位的要求對(duì)閥芯桿與導(dǎo)向套選擇了合理的配合間隙。(4)金屬波紋管直徑較小,長(zhǎng)度較長(zhǎng),在分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)金屬波紋管生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上,我們采用了分段式焊接結(jié)構(gòu),并對(duì)其剛度、撓度和抗扭性能均進(jìn)行了校核,設(shè)計(jì)使用壽命在200000次以上。(5)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間短,工作頻繁。因此,對(duì)其內(nèi)部動(dòng)態(tài)密封件提高了耐磨性,并增加了減磨與防塵工藝措施。4性能試驗(yàn)系統(tǒng)依據(jù)脈沖反吹閥的設(shè)計(jì)及工況參數(shù),配置了閥門實(shí)際工況試驗(yàn)系統(tǒng)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣系統(tǒng)。試驗(yàn)共進(jìn)行了閥門常態(tài)下的密封性試驗(yàn)、動(dòng)作靈活性試驗(yàn),工況參數(shù)下的動(dòng)作周期檢查試驗(yàn)和工況試驗(yàn)后的密封性檢查試驗(yàn)及控制電磁閥響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)。4.1工況試驗(yàn)系統(tǒng)反吹閥工況試驗(yàn)是在高溫吹風(fēng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的,從其供氣系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)生器后接DN50管,主管路上設(shè)置一個(gè)三通,一路接19孔板,通過排氣筒排入大氣,另一路通過異徑與閥門入口DN80(閥門通經(jīng))管路相連,出口采用兩種連接形式:一是接DN80管路,通過排氣筒排入大氣,二是轉(zhuǎn)接檢漏管,系統(tǒng)連接如圖3所示。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工況參數(shù)計(jì)算,系統(tǒng)采用了15L穩(wěn)壓容器,穩(wěn)壓容器出口采用202.5管路與高速電磁閥進(jìn)氣口連接,通過電磁閥換向控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,系統(tǒng)原理如圖4所示。圖4執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣系統(tǒng)連接圖5試驗(yàn)結(jié)果及其分析5.1密封性檢查試驗(yàn)密封性檢查分兩部分,第一部分是閥門各連接處外泄漏密封性檢查,閥門入口通8MPa氮?dú)?出口通3MPa氮?dú)?用皂液法檢查;第二部分是閥門閥座密封性檢查,閥門入口通5MPa氮?dú)?控制腔通0.7~1MPa空氣,從出口檢測(cè)泄漏量。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1檢漏試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)內(nèi)容閥門各連接處檢查閥門閥座密封性檢查試驗(yàn)結(jié)果無泄漏無泄漏5.2動(dòng)作靈活性檢查試驗(yàn)閥門入口不通氮?dú)?控制腔通0.7~1MPa空氣,電磁閥通電,閥門進(jìn)行打開、關(guān)閉試驗(yàn),動(dòng)作3次,間隔時(shí)間12s。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表2靈活性檢查結(jié)果第一次第二次第三次閥門動(dòng)作一個(gè)周期時(shí)間(ms)1901801905.3動(dòng)作周期檢查試驗(yàn)閥門入口通1~2MPa溫度230的燃?xì)?控制腔通0.7~1MPa空氣,接通電磁閥,閥門進(jìn)行打開、關(guān)閉試驗(yàn)。由于閥門每次動(dòng)作周期在200ms左右,燃?xì)馔ㄟ^閥門時(shí)間短,為使閥門入口溫度達(dá)到試驗(yàn)要求,閥門需多次動(dòng)作,共動(dòng)作9次。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,動(dòng)作周期試驗(yàn)時(shí)域曲線如圖5~圖7所示,入口溫度變化圖3工況試驗(yàn)系統(tǒng)連接圖曲線如圖8所示。6表3閥門動(dòng)作周期試驗(yàn)結(jié)果序號(hào)123456789入口壓力(MPa)1.6441.7041.7821.8441.8821.9161.9201.9291.936控制壓力(MPa)0.790.610.780.800.810.820.770.810.81液壓與氣動(dòng)2011年第2期MPa空氣,檢查閥門密封性,應(yīng)無泄漏。試驗(yàn)結(jié)果如一個(gè)周期(ms)2101901902001902