配重式炉顶放散阀的设计与计算

高红亮

（1：河北省冶金专用设备工程技术研究中心 河北秦皇岛066318；2：秦皇岛秦冶重工有限公司 河北秦皇岛066318）

1 前言

炉顶放散阀作为一种安全设备，安装在炼铁高炉炉顶的放散管道上，它的作用是保证高炉内部压力恒定，使得高炉能够正常运行。当高炉内压力达到所允许的最大值时，炉顶放散阀开启，放散掉多余的压力，以保持高炉内部压力始终保持恒定，避免压力过大导致事故发生。

炉顶放散阀主要有两种结构形式，一种是配重式炉顶放散阀，另一种是无配重的碟簧仓式炉顶放散阀，其广泛应用于炼铁高炉上。本文主要介绍配重式炉顶放散阀结构以及阀门在设计过程中密封力、配重重量和牵驱动大小的计算。

2 工作原理

配重式放散阀由阀体、阀座、阀盖、导杆、配重、拉杆以及驱动装置组成，如图1所示。阀门采用焊接或法兰连接的方式与管道连接；阀座上镶嵌有橡胶圈，阀门关闭时，阀盖在配重的重力作用下压紧密封圈，达到密封效果。阀体上设有导向套，阀盖上安装有导杆，依靠导向杆的导向作用，保证每次起闭的过程阀盖的密封面都能与阀体的密封面紧密贴合。

图1 配重式炉顶放散阀

阀门的起闭是通过电动卷扬或液压缸拉动拉杆，拉杆带动阀盖打开和关闭。阀盖下的导杆在阀体上的导向套中做垂直运动，从而控制阀盖的运动轨迹始终保持垂直，使得阀门关闭时阀盖与阀座密封面的相对位置始终不变。阀门关闭时阀盖在配重的压力作用下与阀座密封面贴合并压紧密封圈，实现密封。阀门密封面上的密封比压靠配重的压力所产生。

3 主要参数计算

配重式放散阀设计时，阀门的密封力、配重力及驱动力的大小计算非常关键。在计算阀门配重大小时，如果配重力计算的太小，则无法为密封面提供足够的密封比压，使得阀门无法实现密封；配重力计算的过大，会产生过度设计，增加制作成本，同时会导致开启阀门所需的驱动力增大，驱动阀门的驱动装置规格就要增大，造成浪费。在计算阀门驱动力时，驱动力计算过小，则选择的驱动装置无法正常开启阀门造成安全事故；驱动力计算过大，则同样会导致选择驱动装置规格过大，造成成本的增加。

本文计算的炉顶放散阀，公称通径为DN650mm，介质工作压力P＝0.21MPa，阀门放散压力PN为1.1－1.2倍工作压力，PN取0.25MPa，阀门起闭为卷扬机驱动。阀门各零部件结构尺寸在设计过程中给出，根据已知条件计算阀门所需配重力以及卷扬机驱动力的大小。可根据计算出的结果结合实际使用条件（空间位置、施工环境等），调整各个结构件的尺寸，从而得出更加合理的设计结果。

3.1 密封面上总作用力计算

密封面结构如图2所示。阀门要实现密封，必须克服两方面的力：一是密封面上的密封力FMF；一是介质作用在阀盖上的介质力FMJ。

图2 密封面结构

3.1.1 密封面上的密封力计算

密封力的大小与密封面上的必需比压大小、密封面的宽度以及介质压力有关。当密封面为橡胶时，必需比压和密封力为：

式中：qMF—必需比压，即密封面单位面积上所必需的最小压力，MPa；

PN—阀门放散压力，取0.25MPa；

FMF—密封力，N；

bM—密封面宽度，取12.5mm；

DMN—密封面内径，取720mm。

3.1.2 介质力计算

影响介质力大小的因素包括密封面内径DMN、密封面宽度bM以及介质压力PN，计算公式见式（3）：

式中：FMJ—介质力，N；

3.1.3 密封面上总作用力计算

密封面上总作用力的大小等于密封力与介质力之和，计算公式见式（4）：

3.1.4 计算结果

计算项 qMF FMF FMJ FMZ计算结果0.688MPa 19811N 101788N 121599N

3.2 配重力计算

阀门的密封是靠配重来提供密封比压的，因此正确选择配重的重量非常关键。阀门的受力如图3所示。根据阀门密封要求，结合放散阀的受力特点分析，阀盖与配重的重力在密封面上的合力必须要大于等于密封面上的总作用力，这样阀门才能够实现密封。配重力计算公式见式（5）：

图3 受力分析图

式中：L1－配重力臂，取2600mm；

L2－阀盖力臂，取718mm；

FFG－阀盖重力，取4680N。

计算得：FPZ＝32287N＝3228.7kg

因此，放散阀配重重量为3228.7kg。

3.3 驱动力计算

阀门开启的驱动力由电动卷扬提供，为了能够选择合适的卷扬机，必须计算出阀门驱动力的大小。阀门受力简图如图4所示，根据受力情况分析，阀门驱动力相对于铰点A的扭矩必须大于阀盖与配重的重力相对于铰点A的扭矩，才能保证阀门正常起闭。驱动力计算公式见（6）：

图4 受力分析图

式中：L3－驱动力臂，取3110mm。

计算得：FQ＝28090N＝2809kg

通过计算得出卷扬机最小拉力为2809kg，考虑到一定的安全系数，可选用3.5t卷扬机。

4 结语

阀门在实际工作过程中，各关节的摩擦力也会对最终计算结果产生影响。考虑到此影响，阀门放散压力已经按最大系数1.2倍来考虑。结合实际制作和使用经验，完全满足要求。

炉顶放散阀是高炉炼铁系统中的重要设备，其设计的合理与否直接影响炼铁高炉的正常使用，因此在设计过程中应做充分的理论分析与计算，保证阀门设计合理可靠。