李霆 倪燕 徐玉美 蔡慧杰 張杰

江蘇神通閥門股份有限公司，中國·江蘇 啟東 226200

1 概述

中國能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是富煤、貧油、少氣，且中國也是世界第一煤炭消費(fèi)國，煤炭屬于一次能源，近些年中國80%煤炭直接燃燒，而煤炭燃燒后產(chǎn)生大量的塵、硫等污染物和溫室氣體CO2，嚴(yán)重污染環(huán)境。由此，2014—2020年中華人民共和國國務(wù)院能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃包含“制定和實(shí)施煤炭清潔高效利用規(guī)劃，積極推進(jìn)煤炭分級(jí)分質(zhì)梯級(jí)利用”。浙江大學(xué)、中科院、清華大學(xué)前后著手研發(fā)“煤熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”，即將煤先熱解提取高品質(zhì)油氣，剩余半焦送鍋爐燃燒發(fā)電供熱，實(shí)現(xiàn)煤炭分級(jí)分質(zhì)梯級(jí)利用。

煤熱解產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵邪珻O、CH4、H2、C2H4、C2H6 和塵等，后續(xù)為了得到高品質(zhì)油氣、半焦產(chǎn)品，熱解產(chǎn)生的煙氣必須經(jīng)過“高溫電除塵器”將煙氣中的塵去除，此時(shí)煙溫大約在525℃。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范要求，電除塵器凈化CO、CH4、H2 等易燃易爆時(shí)，需要在電除塵器上設(shè)置泄爆裝置，此次開發(fā)的高溫彈簧自閉泄爆閥就是應(yīng)用在此工況，高溫彈簧自閉泄爆閥應(yīng)用工藝示意圖見圖1。目前，煤熱解系統(tǒng)也是首套樣機(jī)，此閥門的研制成功是煤熱解技術(shù)商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備，此套系統(tǒng)運(yùn)行成功，便可推廣到全國，提高國家煤炭資源的高效利用。

圖1 高溫自閉泄爆閥工藝系統(tǒng)簡圖

2 高溫彈簧自閉泄爆閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫彈簧自閉泄爆閥是在原干法除塵泄爆閥的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的優(yōu)化，高溫多級(jí)自閉泄爆閥結(jié)構(gòu)見圖2。在原有閥門的基礎(chǔ)上增加了軟硬密封結(jié)構(gòu)，金屬硬密封結(jié)構(gòu)將大部分的介質(zhì)阻擋在通道內(nèi)，少量通過硬密封的介質(zhì)進(jìn)入軟密封通道內(nèi)，軟密封副內(nèi)增加水冷卻結(jié)構(gòu)，對(duì)介質(zhì)及密封副進(jìn)行水冷，保證介質(zhì)最高溫度小于密封副的耐溫等級(jí)。

圖2 高溫彈簧自閉泄爆閥結(jié)構(gòu)簡圖

第一，在閥體和閥板最內(nèi)側(cè)增加一道金屬硬密封結(jié)構(gòu)，采用上下錐密封的結(jié)構(gòu)，密封副采用堆焊STL 合金材質(zhì)以滿足耐高溫、耐沖刷和耐磨損的要求，密封性能滿足泄漏等級(jí)Ⅳ級(jí)，即可以將介質(zhì)大部分隔斷在通道內(nèi)，減少介質(zhì)與軟密封的直接接觸，因?yàn)樵诮橘|(zhì)沒有有效降溫的前提下，會(huì)造成軟密封圈的失效。為了保證此處金屬密封的有效性，需要特別注意配合尺寸的公差設(shè)計(jì)，防止累計(jì)誤差影響裝配后的精度，造成金屬密封過緊或過松，起不到設(shè)計(jì)需要的功能，造成整個(gè)閥門的可靠性降低。

第二，考慮到閥門使用介質(zhì)的溫度較高，而且金屬密封副的泄漏率又較大，所以內(nèi)側(cè)的軟密封必須有耐高溫特點(diǎn)，即在金屬密封圈外側(cè)（最內(nèi)側(cè)軟密封）設(shè)置一道柔性石墨盤根密封圈，采用耐高溫、回彈性好的帶金屬絲加強(qiáng)盤根。盤根需要滿足耐高溫和壓縮變形回彈性大的特點(diǎn)，即可以長期在高溫和壓縮變形下工作而不失效，金屬加強(qiáng)絲既可以加強(qiáng)盤根強(qiáng)度，又可以增加回彈性，通過盤根密封環(huán)可以基本將介質(zhì)隔斷在閥體內(nèi)，避免高溫介質(zhì)與橡膠密封圈的直接接觸，造成橡膠密封圈材質(zhì)老化失效。選擇好盤根后，需要考慮盤根的變形量與橡膠變形量的關(guān)系，并計(jì)算好溝槽的尺寸設(shè)計(jì)，達(dá)到盤根密封性能與橡膠密封性能一致，從而保證所設(shè)計(jì)的密封副密封性能的一致性。

第三，為了實(shí)現(xiàn)閥門的可靠密封，需要采用橡膠密封圈，在盤根的外圈又設(shè)計(jì)雙道橡膠密封圈。橡膠密封采用雙道結(jié)構(gòu)，主要是考慮在一道密封失效的前提下，還有一道密封圈能夠提供可靠的保障，即雙道密封圈相對(duì)單道密封圈主要增加一次失效后的密封保護(hù)措施，為設(shè)備的檢修爭取時(shí)間。在橡膠的選材上，針對(duì)耐高溫的工況要求，特別選擇了進(jìn)口的耐高溫材料，并結(jié)合本公司特殊的膠料配比，實(shí)現(xiàn)橡膠圈在耐高溫的前提下，還具有較高的彈性，是實(shí)現(xiàn)閥門密封的關(guān)鍵，需要在從材料采購、制作、檢測(cè)及試驗(yàn)等方面做好數(shù)據(jù)積累，才能實(shí)現(xiàn)成品的最終可靠性。

第三，密封副的水冷系統(tǒng)。由于橡膠密封圈的特性決定了使用溫度的極限，所以針對(duì)本產(chǎn)品的應(yīng)用工況，需要將橡膠密封圈的運(yùn)行溫度降到其適用的溫度。降溫常用的方法有風(fēng)冷、水冷等，結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)選水冷結(jié)構(gòu)，而且水冷結(jié)構(gòu)也是閥門常用的冷卻方式，閥門的水冷需要根據(jù)密封副的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。本閥門根據(jù)密封副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)成長方形水槽式結(jié)構(gòu)，即在密封副的上腔和下腔設(shè)計(jì)了兩個(gè)水冷帶，并分別設(shè)置了進(jìn)水和出水管路，通過給定的水流速度，將密封副的熱量傳遞出去，即降低介質(zhì)溫度對(duì)密封副的熱傳導(dǎo)，對(duì)經(jīng)過的高溫煤氣進(jìn)行冷卻，在降低介質(zhì)的溫度的同時(shí)，提高了橡膠密封圈的使用壽命。

3 耐高溫分析

由于在工廠內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門耐高溫性能的檢測(cè)，為了檢驗(yàn)閥門的耐高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，下面通過ANSYS 分析對(duì)介質(zhì)的熱傳導(dǎo)進(jìn)行驗(yàn)證。采用四面體帶中間節(jié)點(diǎn)單元對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，為保證計(jì)算精度，需對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響可忽略不計(jì)時(shí)，說明網(wǎng)格劃分合理可行，共劃分1196767 個(gè)單元、1974055 個(gè)節(jié)點(diǎn)。熱場(chǎng)分析后通過熱固耦合的方式將熱場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析模塊中，分析法蘭和蝶板的熱應(yīng)力和變形。熱場(chǎng)分析時(shí)在法蘭內(nèi)側(cè)及蝶板施加550℃的溫度載荷，法蘭和蝶板外表面與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，換熱系數(shù)為12W.（m2K），環(huán)境溫度取22℃。法蘭水冷區(qū)對(duì)流換熱系數(shù)取4100W.（m2K），冷卻水溫22℃。熱分析時(shí)保溫材料和零件之間設(shè)定綁定接觸，法蘭和蝶板設(shè)置不分離接觸，保證熱傳導(dǎo)。熱應(yīng)力分析時(shí)，為了與實(shí)際工況模擬一致，法蘭和蝶板之間不設(shè)置接觸，對(duì)蝶板密封面設(shè)置遠(yuǎn)端約束，約束其豎直方向的自由度，分析其在熱載荷下的變形量。具體分析如下：

第一，圖3為沒有水冷腔的閥座受介質(zhì)高溫后的熱傳遞溫度值，從圖上我們可以看出，內(nèi)圈密封槽的溫度接近500℃，最外圈密封槽的溫度也達(dá)到450℃，完全滿足不了橡膠密封圈的使用溫度要求，因?yàn)橄鹉z密封圈的極限耐溫300℃。

圖3 沒有水冷腔的閥座耐溫分析

第二，圖4為增加水冷腔的閥座受介質(zhì)高溫后的熱傳遞溫度值，從圖上我們可以看出，閥座內(nèi)圈密封槽的溫度接近200℃，最外圈密封槽的溫度基本是常溫約24℃，完全滿足橡膠密封圈的耐溫要求，從此方案溫度的傳遞值判斷，閥座水冷腔冷卻設(shè)計(jì)方案是非?？煽康?。

圖4 帶有水冷腔的閥座耐溫分析

第三，為了使分析更接近閥門使用的實(shí)際工況，現(xiàn)將閥門組裝后進(jìn)行熱傳遞分析。圖5為沒有水冷腔的閥門受介質(zhì)高溫后的熱傳遞溫度值，從圖上我們可以看出，雖然金屬硬密封起到了阻礙大部分熱量的作用，但是內(nèi)圈密封槽處的溫度接近400℃，最外圈密封槽處的溫度接近300℃，而橡膠密封圈的耐溫極限300℃，所以此結(jié)構(gòu)滿足不了使用要求。

圖5 沒有水冷腔的閥門關(guān)閉后耐溫分析

第四，圖6為增加水冷腔的閥門受高溫介質(zhì)后的熱傳遞溫度值，從圖上我們可以看出，在高溫介質(zhì)經(jīng)過金屬密封副后，再經(jīng)過水冷腔的冷卻，到達(dá)橡膠密封圈的溫度基本就是常溫，圖上內(nèi)圈密封槽的溫度接近60℃，最外圈密封槽的溫度差不多30℃，完全滿足橡膠密封圈的使用要求，說明此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖6 帶水冷腔的閥門關(guān)閉后耐溫分析

通過ANSY 的分析，可以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并經(jīng)過分析數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的比較，來分析計(jì)算數(shù)據(jù)的偏差，及時(shí)修正，減少了通過試驗(yàn)才能確認(rèn)的數(shù)據(jù)，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，可以作為設(shè)計(jì)的可靠數(shù)據(jù)使用，提高了市場(chǎng)的相應(yīng)時(shí)間，可以為企業(yè)爭取更高的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)信譽(yù)，是目前主流的研發(fā)方向。

4 彈簧力計(jì)算

4.1 一級(jí)彈簧的剛度計(jì)算

系統(tǒng)壓力要求介質(zhì)力達(dá)到5000Pa 時(shí)，閥門能夠自動(dòng)打開，開始泄爆，則需要一級(jí)彈簧的預(yù)緊壓力Fx 為：

Fx+mg ＝PS+FQ

采用8 個(gè)一級(jí)泄爆彈簧，則每個(gè)彈簧上的預(yù)緊力為：

由于有效工作圈數(shù)超出彈簧允許的有效圈數(shù)選取范圍，故采用2 個(gè)彈簧，由于結(jié)構(gòu)形狀的要求，一個(gè)彈簧（彈簧Ⅰ）的有效工作圈數(shù)選取n ＝14，另一個(gè)彈簧（彈簧Ⅱ）選取n ＝12。

由上所述，我們可以選擇彈簧參數(shù)如表1、表2所示（詳細(xì)參數(shù)見《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版下冊(cè)）。

表1 彈簧Ⅰ

表2 彈簧Ⅱ

彈簧Ⅰ的剛度為：

彈簧Ⅱ的剛度為：

安裝后，彈簧Ⅰ和彈簧Ⅱ?yàn)榇B安裝，則串連后彈簧的剛度

K ＝28.6×33.3/（28.6+33.3）

＝15.3N/mm

則一級(jí)彈簧的預(yù)壓縮量為：

安裝時(shí)，要先將串連后的以及彈簧壓縮114mm，然后進(jìn)行裝配，微調(diào)量可在試壓調(diào)試的時(shí)候通過調(diào)節(jié)螺桿上的螺母進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

4.2 二級(jí)彈簧

關(guān)于二級(jí)彈簧，我們可以選擇彈簧參數(shù)如表3、表4所示。

表3 彈簧Ⅲ

表4 彈簧Ⅳ

彈簧串連安裝后的剛度：

K ＝2×67.4×82.3/（67.4+82.3）

＝74.1N/mm

則當(dāng)達(dá)到三級(jí)泄爆時(shí)，二級(jí)泄爆彈簧的壓縮量△x。14.9×（65+150+75）×4+231×9.8+74.1× △x ＝63000×3.14×0.625×0.625，可得△x ＝97mm。

從而得出二級(jí)泄爆彈簧的預(yù)壓縮量為97-75 ＝22mm。

二級(jí)彈簧的預(yù)壓縮量可以通過調(diào)節(jié)螺桿達(dá)到，根據(jù)試驗(yàn)時(shí)的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

4.3 三級(jí)彈簧

關(guān)于三級(jí)彈簧，我們可以選擇彈簧參數(shù)如表5、表6所示。

表5 彈簧Ⅴ

表6 彈簧Ⅵ

彈簧串連安裝后的剛度：

K ＝54N/mm

對(duì)二級(jí)和三級(jí)彈簧所采用的計(jì)算方法，存在很大的不足，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差必然較大。此外，二級(jí)、三級(jí)彈簧的主要作用是緩沖，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況定。閥門設(shè)計(jì)參數(shù)確定后，根據(jù)彈簧力、泄爆壓力、彈簧的變形量就可以繪制出位移-壓力曲線圖，其中卸爆壓力與泄爆位置之間關(guān)系如下（垂直安裝，見圖7）。

圖7 卸爆壓力與泄爆位置圖

5 結(jié)語

高溫多級(jí)自閉泄爆閥是煤熱解用電除塵設(shè)備的必不可少的設(shè)備，此設(shè)備的成功研制是實(shí)現(xiàn)煤熱解技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且成功申請(qǐng)了國家專利，專利號(hào)為ZL2020214939497。