脉冲反吹阀阀瓣的防松分析及改进

2016-08-01陈凤官王富强郝伟沙高红彪

中国设备工程 2016年1期

关键词：煤化工螺纹

陈凤官　王富强　王渭　明友　郝伟沙　高红彪

（1.合肥通用机械研究院，安徽　合肥　230031；2.河南开祥化工有限公司，河南　三门峡　472300）

脉冲反吹阀阀瓣的防松分析及改进

陈凤官1王富强2王渭1明友1郝伟沙1高红彪1

（1.合肥通用机械研究院，安徽合肥230031；2.河南开祥化工有限公司，河南三门峡472300）

摘要：针对反吹阀在现场使用过程中存在的问题，分析了该阀的结构特点和现场使用工艺工况条件，总结了现有几种解决方案，给出了适合现场工艺工况条件下的解决方案。

关键词：煤化工；反吹阀；阀瓣设计；螺纹；防松结构

一、反吹阀阀瓣工作特性分析

1.阀门工艺工况特点

一般来说，Shell粉煤气化装置中反吹清洁系统由24台脉冲反吹阀组成，24台阀门每间隔20～30s交替启闭，每台阀门启闭时间<0.3s，开关频繁且振动大。阀门入口压力0～8.1MPa，介质温度约为225℃，确保与飞灰过滤器中温度相差较小，利用频繁快速的开启，形成高压差脉冲气流，从而对滤芯进行反吹清洁。

在高频高温高压条件下，脉冲反吹阀阀瓣密封性能的好坏，直接影响到对滤芯的反吹效果，进而影响到整个工艺系统。

2.阀瓣松脱问题分析

脉冲反吹阀阀瓣、阀座密封结构如图1所示。阀瓣与阀杆通过螺母加弹簧垫圈进行紧固防松，阀瓣与阀杆间还设置有不锈钢缠绕密封圈，但两者之间没有刚性限位。在脉冲反吹阀正常工作时，驱动装置将带动阀杆阀瓣上下运动，拍打阀座，从而实现阀门的开启关闭。由于阀瓣与阀杆间未设计刚性限位，在阀门长期服役状态下，不锈钢缠绕圈将逐渐变形，进而出现阀瓣松脱现象。

图1　反吹阀阀瓣结构示意图

而且螺母加弹簧垫圈的防松方法性能仅优于单螺母紧固。当其应用在高温高频振动状态下，阀瓣极易伴随紧固螺母的松退方向旋转，其预紧力衰减明显，无法获得较高的可靠性。

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根据对多家Shell煤化工企业的现场调研，其对阀瓣的防松处理均采用直接将防松螺母与阀杆螺纹焊死的方法，在图1所示焊点处多点焊死。在气化装置停车检修或例行维护时则需要更换整套阀杆。这种方法简单可靠，但成本高，且资源浪费严重，不利于煤化工企业的低成本运营与维护。

二、防松方法特点浅析

目前螺纹防松方法，按其防松原理大致可以主要分为以下几类：摩擦防松、机械防松、破坏螺纹副防松等，这其中还包括近几年发展的几种新型螺纹防松方法。

1.摩擦防松方法

摩擦防松是利用增加螺纹副或接触面的摩擦力来达到螺纹防松效果。摩擦防松方法常用弹簧垫圈、弹性垫圈、齿形锁紧垫圈、对顶双螺母、扣紧螺母、带尼龙嵌件的螺母、带法兰面的锁紧螺母等。另外，在螺纹副中加入螺纹胶等理论上也应属于增加摩擦力的方法，但当所使用的螺纹胶不可拆卸时，则应归类为破坏螺纹副的方法。

其中，凹凸型螺母防松如图2所示，是应用偏心圆锥配合增加摩擦力的对顶双螺母，防松效果较普通对顶螺母好，但提高了加工的复杂性，且螺母均为非标，不有利于规模生产。施必牢（SPL）防松螺母如图3所示，则是利用异形螺纹结构，增加全螺纹副的摩擦力，进而来达到防松效果，防松效果明显，但螺纹加工难度大，工艺较为复杂。

图2　凹凸型双螺母防松结构示意图

图3　施必牢螺纹结构示意图

2.机械防松方法

机械防松方法主要有螺栓螺母带孔加开口销、加止动垫圈、串联钢丝等，防松可靠性高，但需要以破坏零件结构为代价，且装配拆卸难度大，对预紧力控制要求不严格。

圆螺母加止动垫圈防松方法，在螺杆上加工一槽，先装上含有内齿的止动垫圈，再装上圆螺母紧固，然后将止动垫圈的外齿折进圆螺母上的缺口内，从而达到防松效果。

本文所涉及的阀瓣防松，某化工厂在技改过程中采用了上述方法，防松效果明显，但是阀杆刚度被削弱，进而导致阀门密封效果差，最终又取消了该方案。

3.破坏螺纹副防松方法

破坏螺纹副防松就是直接破坏螺纹副，常用方法则有将螺纹副铆死、焊死、打冲破坏。或者在螺纹副上涂抹特殊螺纹胶，安装后螺纹无法正常拆卸，必须破坏螺纹副方可拆解。

破坏螺纹副防松非常可靠，但拆卸困难，且拆卸后无法重复利用。现场使用的方法就是对阀瓣防松螺母直接与阀杆螺纹焊死，所以在阀门维修时，整套波纹管阀杆组件都无法重复使用，维修成本高昂。

4.其他防松方法探讨

除了上述传统几类防松方法，还有其他一些防松效果良好的方法。

利用铁基形状记忆合金来研制一种新型螺母，理论及试验均表明其防松效果可靠，可以重复使用，但是该方法成本较高，且距离大规模生产普及还有一定的时间。而复合螺纹是将左右旋两螺纹复合在同一螺杆上，利用左右旋螺母相互制约来达到防松效果。

唐氏螺纹，如图4所示这种类型的防松方法已有非常详尽的描述，提供了多种实施方案，并提出权利要求。左右旋复合螺纹这种防松方法可靠性高，且安装拆卸方便。

图4　左右旋复合螺纹防松结构示意图

防松垫圈SOLID-LOC K，如图5所示。其主要原理是在螺母加垫圈紧固后，被紧固零件与垫圈间发生塑性变形，且垫圈与螺母间也发生塑性变形，均有较大摩擦力，然后利用垫圈升角大于螺纹升角，从而达到防松效果。该方法防松可靠，在国外有较多应用。

上述两种防松都是利用了螺纹的升角不同从而达到结构性防松效果。图4所示右旋螺纹升角为α，而左旋螺纹升角为β，两者方向相反，大小可同可不同；图5所示垫圈升角为α，而螺纹升角为γ，两者大小不同α>γ。故两者均可达到很有效的防松效果。

图5　SOLID-LOCK垫圈防松结构示意图

三、解决方案

根据脉冲反吹阀的工艺工况条件，以及现场使用现状，通过对阀杆、阀瓣的结构分析，应着重从三个角度去解决阀瓣的防松问题：阀瓣的限位、阀瓣可伴随紧固件旋转、阀瓣与紧固件相互制约。

结合上述几种可靠的防松方法，拟将阀杆、阀瓣连接形式进行如下改进（如图6所示）。

图6　改进后的阀杆阀瓣防松结构

首先，将阀瓣与阀杆之间设置刚性限位，确保阀门在正常工作时，阀瓣不会产生工作位移。

其次，在阀杆和阀瓣上均增加一道螺纹，旋向为左旋。

最后，在阀瓣与锁紧螺母间增加一防松垫圈，如SOLID-LOCK等。

通过上述结构改造，阀瓣与阀杆之间有了两道定位保证，一是图6所示的刚性限位，二是阀瓣与阀杆间的左旋螺纹配合；阀瓣与锁紧螺母间设置防松垫圈，阀瓣与防松垫圈之间、防松垫圈与锁紧螺母之间通过拧紧力矩，会发生塑性变形，从而产生较大的摩擦力，而阀瓣的松脱方向与防松垫圈及锁紧螺母的松脱方向相反，锁紧螺母与防松垫圈松脱螺纹升角大小不同，且阀瓣已被刚性定位，故阀瓣可被可靠防松。并且该结构可以重复使用，大大地降低了维护成本。

四、结语

针对脉冲反吹阀在使用过程中出现的阀瓣松脱问题，分析了脉冲反吹阀的工艺要求及工作特性，总结并分析了目前国内外常用的几类防松方法，结合脉冲反吹阀阀杆阀瓣的结构特点，给出了一种改进结构方案，并在工艺现场实践，实践结果表明，该方案防松可靠，可有效解决阀瓣松脱问题，并降低了Shell煤化工企业的运营和维护该阀的成本。螺纹防松问题是工程上一直在探讨的问题，防松方法很多，在产品的设计及改进过程中，应根据应用领域要求及产品自身结构特点，选用最经济、最合适的防松方法。

参考文献：

[1]王渭，明友.壳牌粉煤气化装置用阀结构类型与特性的分析[J].阀门，2010（6）：22-24.

[2]项忠霞，董刚，林孟霞等.螺纹联接防松方法的评述[J].机械设计，1996（11）：1-2，32.

[3]成大先.机械设计手册：第2卷[M].第五版.北京：化学工业出版社，2007：60-62，178-189.

[4]陈睿.新型防松螺母——凹凸型螺母[J].武钢技术，1996，34 （3）：37-40.

[5]张宁东，徐永茂.，新型的圆螺母一防松结构[J].机械制造,1992 （4）：16.

[6]李俊良,杜彦良,孙宝臣等.一种新型智能防松螺母的研究[J].工程设计学报，2003，10（3）：154-157.

[7]唐宗才.复合螺纹：中国，ZL99114345.0[P].2001-01-31.

[8]孙峰，唐宗才.唐氏螺纹的防松原理及效果[J].机械工程师，2002（5）：13-15.

[9]林清富.带反向螺纹双螺母防松结构的螺纹连接件：中国，ZL93211129.1[P].1994-04-06.

[10]郭庆荣.螺栓连接逆旋向双螺母[J].机械制造，1991（6）：32.

[11]苏光辉.一种新颖可靠的接触网紧固件防松措施——SOLID-LOCK防松垫片，高速铁路接触网零部件安全可靠性技术论文集[C].2013-11-20，4-8.