高速無泄漏脈沖反吹閥的設(shè)計與試驗研究

2011年第2期液壓與氣動3高速無泄漏脈沖反吹閥的設(shè)計與試驗研究李敏哲,楊軍社,周養(yǎng)論,姜斌ThedesignandexpermientalstudyofhighspeedleekfreepulsepurgevalveLIMinzhe,YANGJunshe,ZHOUYanglun,JIANGBin(航天十一所西安航天遠征流體控制股份有限公司,陜西西安710100)摘要:針對脈沖反吹閥在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,對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝等進行了討論和分析。性能試驗結(jié)果表明:該閥門達到了耐高溫、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,對保證工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是實用有效的。關(guān)鍵詞:脈沖閥;殼牌粉煤氣化工藝;結(jié)構(gòu)設(shè)計;制造工藝中圖分類號:TH138文獻標(biāo)識碼:B文章編號: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)致的整個煤氣化工藝系統(tǒng)故障。同時,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,對脈沖反吹閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝和材料選擇均提出了很高的要求,造價昂貴,頗受業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。挖掘機大臂提升帶動散枕裝置上升到一定高度后,挖掘機向道床行走。將伸縮液壓缸開關(guān)指向散開位置,散枕液壓缸伸出,同時根據(jù)實際情況將旋轉(zhuǎn)頭開關(guān)指向左旋或右旋,挖掘機行走到位后,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;挖掘機大臂下降帶動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;挖掘機大臂再次提升帶動散枕裝置上升,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)操作進行下組軌枕的散布作業(yè)。收稿日期:20100917作者簡介:李敏哲(1979),男,陜西西安人,工程師,碩士,主要從事機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和石化特種閥門等方面科研工作。1反吹閥設(shè)計要求(1)反吹氣:高壓氮氣或合成氣(含有H2S、Cl和NH3等);(2)壓力:進出口脈沖壓差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)計好其液壓系統(tǒng),特別是控制散枕裝置回轉(zhuǎn)起動制動的平穩(wěn)性、散枕的同步性以及實現(xiàn)松開軌枕的限速鎖緊,對于散枕裝置能夠完成轉(zhuǎn)、抓、夾、收、放軌枕,達到布枕操控靈活、定位準(zhǔn)確以及安全防護的目的具有重要作用。參考文獻:[1]何華武.無碴軌道技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2005.[2]劉育賢.武廣客運專線無碴軌道施工設(shè)備縱向模板安裝機、模板拆洗機、散枕裝置、物流平車[J].鐵道建筑技術(shù),2008,(2):11-14.[3]成大先.機械設(shè)計手冊(第4卷)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.4液壓與氣動(5)閥門經(jīng)高速高壓頻繁動作后,長時間關(guān)閉時,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)計工況下閥門反吹周期為442s,惡劣工況下為172s,并通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)循環(huán)動作。(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,否則清潔濾芯時設(shè)備內(nèi)部局部溫度會降至露點溫度以下,將產(chǎn)生露點腐蝕,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間不大于250ms。使得閥門開關(guān)時間更短,動作更頻繁,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3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(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)動閥門執(zhí)行機構(gòu)運動;通過聯(lián)軸器將執(zhí)行機構(gòu)與閥芯桿連接起來;閥門開度由極限限位開關(guān)來檢測;由一個高精度的控制器控制閥門循環(huán)動作;當(dāng)閥門出入口壓差達到設(shè)計要求,并與執(zhí)行機構(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,實物照片如圖2所示。圖2反吹閥實物圖工作原理:先導(dǎo)(控制)電磁閥2接受開啟信號,控制執(zhí)行機構(gòu)1通過聯(lián)軸器3帶動閥芯桿5動作,使反吹閥打開;當(dāng)閥門開度到達極限限位開關(guān)設(shè)定位置時,自動循環(huán)控制器給電磁閥換向信號,控制執(zhí)行機構(gòu)反向運動,反吹閥關(guān)閉;當(dāng)閥門到達關(guān)閉位置后,再由自動循環(huán)控制器確定間隔時間,進行下一次循環(huán)動作。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,有其本身獨特的優(yōu)點。(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,確保了整閥能夠長期可靠地工作。(3)采用小直徑、超長型金屬波紋管密封設(shè)計,一方面防止了進出口氣體的外泄漏,做到了嚴(yán)密密封,另一方面將大部分閥芯桿保護起來,減少了高壓粗合成氣的沖蝕和腐蝕,有效延長了閥芯桿的使用壽命。(4)閥芯桿和氣動執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動軸通過導(dǎo)向套和聯(lián)軸器支撐并連接起來,保證了閥門動作時的同軸性。同時導(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,防止了由于導(dǎo)向套脫出而造成偏磨。(5)氣動執(zhí)行機構(gòu)在現(xiàn)場提供的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)定的啟閉動作;同時與高速電磁閥配合使用,可以迅速完成閥門的打開和關(guān)閉動作。(6)控制電磁閥、極限限位開關(guān)是免維護的循環(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,對安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。因此兩者聯(lián)合使用,會使閥門在系統(tǒng)發(fā)生故障時自動處于1.氣動執(zhí)行機構(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(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4.2氣動執(zhí)行機構(gòu)供氣系統(tǒng)5因此對密封閥蓋增加了高精研磨,達到了較高的平面度、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)用戶單位使用國外反吹閥所得到的經(jīng)驗,密封填料的抗沖擊強度不得低于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發(fā)生熱脹現(xiàn)象,因此過小會發(fā)生抱死;過大會造成閥芯桿與導(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,長度較長,在分析現(xiàn)有國內(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),并對其剛度、撓度和抗扭性能均進行了校核,設(shè)計使用壽命在200000次以上。(5)氣動執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)時間短,工作頻繁。因此,對其內(nèi)部動態(tài)密封件提高了耐磨性,并增加了減磨與防塵工藝措施。4性能試驗系統(tǒng)依據(jù)脈沖反吹閥的設(shè)計及工況參數(shù),配置了閥門實際工況試驗系統(tǒng)和氣動執(zhí)行機構(gòu)供氣系統(tǒng)。試驗共進行了閥門常態(tài)下的密封性試驗、動作靈活性試驗,工況參數(shù)下的動作周期檢查試驗和工況試驗后的密封性檢查試驗及控制電磁閥響應(yīng)時間檢測。4.1工況試驗系統(tǒng)反吹閥工況試驗是在高溫吹風(fēng)試驗臺上進行的,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)行機構(gòu)工況參數(shù)計算,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氣口連接,通過電磁閥換向控制執(zhí)行機構(gòu)動作,系統(tǒng)原理如圖4所示。圖4執(zhí)行機構(gòu)供氣系統(tǒng)連接圖5試驗結(jié)果及其分析5.1密封性檢查試驗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氮氣,出口通3MPa氮氣,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氮氣,控制腔通0.7~1MPa空氣,從出口檢測泄漏量。試驗結(jié)果如表1所示。表1檢漏試驗結(jié)果試驗內(nèi)容閥門各連接處檢查閥門閥座密封性檢查試驗結(jié)果無泄漏無泄漏5.2動作靈活性檢查試驗閥門入口不通氮氣,控制腔通0.7~1MPa空氣,電磁閥通電,閥門進行打開、關(guān)閉試驗,動作3次,間隔時間12s。試驗結(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作一個周期時間(ms)1901801905.3動作周期檢查試驗閥門入口通1~2MPa溫度230的燃?xì)?控制腔通0.7~1MPa空氣,接通電磁閥,閥門進行打開、關(guān)閉試驗。由于閥門每次動作周期在200ms左右,燃?xì)馔ㄟ^閥門時間短,為使閥門入口溫度達到試驗要求,閥門需多次動作,共動作9次。試驗結(jié)果如表3所示,動作周期試驗時域曲線如圖5~圖7所示,入口溫度變化圖3工況試驗系統(tǒng)連接圖曲線如圖8所示。6表3閥門動作周期試驗結(jié)果序號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2011年第2期MPa空氣,檢查閥門密封性,應(yīng)無泄漏。試驗結(jié)果如一個周期(ms)2101901902001902