空程耦合及油壓緩閉裝置在斜座式止回閥中的應(yīng)用

胡曉峰

(國電靖遠發(fā)電有限公司,甘肅白銀 730919)

0 引言

止回閥廣泛用于取供水泵系統(tǒng)的出口管路上,起到防止介質(zhì)倒流和有效預(yù)防破壞性水錘的作用。國電靖遠發(fā)電有限公司為4×200MW火力發(fā)電廠,其供水系統(tǒng)安裝有4臺5070m3/h的取水泵和8臺1250m3/h的供水泵,設(shè)計為工業(yè)用水和50萬人口的城市供水,其系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。原大多采用普通懸啟式止回閥,但在系統(tǒng)使用中發(fā)現(xiàn)該類止回閥緩閉功能差、不能滿足防破壞性水錘的作用,而且閥門密封及可靠性差,內(nèi)漏嚴重,缺陷頻繁,不利于節(jié)能降耗。

1 普通止回閥存在的問題

在大通徑水系統(tǒng)管路上普遍使用H44X型懸啟式止回閥和HH44X型緩閉止回閥。H44X型普遍存在閥板與閥軸連接拐臂及其內(nèi)部銅套容易磨損的問題,據(jù)統(tǒng)計,一般4～6個月銅套磨損就達3～5 mm。拐臂與閥軸之間定位通常用定位銷或定位檔套,出現(xiàn)磨損后又不能準確定位,從而導致閥門密封副錯位,不能起到良好的密封效果,而且因沒有緩沖裝置而不能起到防水錘的作用。而HH44X型微阻緩閉型止回閥雖然適用性較無緩閉型好,通過調(diào)整閥體下部緩閉導桿或活塞來實現(xiàn)緩閉,能在一定程度上防止水錘,但同樣存在傳動套磨損、密封性差、緩閉功能與系統(tǒng)工況調(diào)整不易實現(xiàn)等弊端。

總之,該類閥門內(nèi)部配件極易磨損,閥門內(nèi)漏嚴重,不能有效防止水錘和延長檢修周期,導致設(shè)備臨檢頻繁,造成人力、物力、財力的浪費。所以,此類普通閥門局限性大,不能滿足實際需要,必須應(yīng)用新工藝、新技術(shù)改進設(shè)備,以提高設(shè)備可靠性和安全性,延長檢修周期。由于在系統(tǒng)出口處需使用兼?zhèn)浣刂购椭够毓πУ?、能有效預(yù)防破壞性水錘的止回閥,而空程耦合斜座式緩閉止回閥則改進了以上不足,完善了設(shè)備。

2 空程耦合器的應(yīng)用與分析

2.1 斜座式空程耦合止回閥特性

該閥通過動力裝置、減速箱驅(qū)動空程耦合器帶動閥軸、閥板(如圖1所示),具有電動/手動開閥、關(guān)閥和節(jié)流作用及止回功效;同時,該閥可分快關(guān)和慢關(guān),在取供水系統(tǒng)啟動和正常停泵時,可起到節(jié)流和止回的運行功能并有油壓緩閉裝置,在事故情況和系統(tǒng)失電時,能自動有序完成快關(guān)、慢關(guān),防止因事故造成的破壞性水錘發(fā)生;而且閥板與兩傳動半軸通過銷釘定位并機械緊固,消除了普通懸起式止回閥旋轉(zhuǎn)部分磨損造成的密封副錯位、關(guān)閉不嚴現(xiàn)象,加之采用全金屬密封副,密封性能好、壽命長,可實現(xiàn)免維護;傳動軸等內(nèi)部零部件不存在磨損問題,油壓緩閉裝置內(nèi)設(shè)節(jié)流元件,能隨工況及相應(yīng)關(guān)閥要求調(diào)整緩閉時間。

圖1 斜座式空程耦合止回閥

閥板傾斜也可有效防止水錘,據(jù)有關(guān)文獻報道,閥板一般關(guān)到12°時容易發(fā)生水錘,所以,應(yīng)設(shè)法避開水錘危險區(qū)。將閥座設(shè)計成傾斜12°角,使關(guān)閉行程縮短,可以很好地減少水錘風險,如圖2所示。

圖2 閥板傾斜示意圖

2.2 各工況下空程耦合器的作用

空程耦合是新技術(shù)、新工藝在止回閥中的應(yīng)用,大多采用電動裝置驅(qū)動蝸輪蝸桿變速裝置或帶電磁離合的變速裝置(以下分析均以蝸輪蝸桿變速裝置為例)。該技術(shù)是在變速裝置電動端和閥門傳動軸端設(shè)計1對傳動兩爪,根據(jù)傳動軸傳動力矩的大小,設(shè)計出不同規(guī)格尺寸的耦合爪,利用傳動爪之間的空程,實現(xiàn)空程范圍內(nèi)的電動軸與閥門傳動軸之間的相對運動,共同組合成空程耦合器。

當耦合器齒爪處于空程(最大90°)位置時,蝶板可在12°(由于蝶板傾斜12°)～90°范圍自由運動,當水泵突然失電及事故停泵時,可自動關(guān)閥,完全起到止回效果和防水錘作用。在需要節(jié)流時,電動端反向壓住軸端耦合器齒爪,可進行不同角度的節(jié)流,具備一閥兩用的特點。

(1)閥門全關(guān)鎖定狀態(tài)。因為閥座傾斜12°,蝶板密封嚙合線與垂直線夾角為12°,也就是軸端耦合器齒中心線與垂直線夾角為12°,電裝端耦合器齒爪與垂線夾角為62°(如圖3所示),此時閥門關(guān)閉。當電動裝置不運轉(zhuǎn)時,電裝端耦合器爪壓著軸端耦合器齒,蝶板被鎖定;同時,因為變速裝置的蝸輪蝸桿具有自鎖性,此時有正向水壓也不能開啟,閥門能保持良好的密封性。

(2)閥門正常開啟狀態(tài)。如圖4所示,水泵啟動,建立封閉壓力之后,電動開向運行,耦合爪向開方向旋轉(zhuǎn),不再壓制軸端耦合齒爪。建立封閉壓力,如蝶板開到20°,因閥座傾斜12°,則實際只開了8°就能滿足開閥需要,然后,蝶板在水泵動力水作用下懸起,水泵運行時蝶板將穩(wěn)定在一定開度下而平穩(wěn)工作。

(3)水泵失電及事故情況。如圖5所示,如果閥門在全開狀態(tài)下,水泵突然失電,則軸端耦合齒爪關(guān)向旋轉(zhuǎn),蝶板回轉(zhuǎn)下落,蝶板在出水管上游水作用力矩、閥板自重力矩和重錘力矩的聯(lián)合作用下使閥門自動關(guān)閉。假設(shè)蝶板全開到90°出現(xiàn)水泵失電事故,因閥座傾斜12°,則實際全開了78°。閥門的開度取決于水泵的實際流量,根據(jù)試驗,一般情況下,蝶板開度在65°～75°范圍已是比較理想的情況?，F(xiàn)假定開度為75°,軸端耦合齒爪關(guān)向轉(zhuǎn)動后仍與電動端耦合齒爪有2°的間隙,理論上不會產(chǎn)生2齒爪的相互碰撞。通過試驗,要求電動全開限位小于90°,最好不大于85°,這樣完全可保證其安全性。

(4)正常停泵關(guān)閥與節(jié)流調(diào)節(jié)。如圖6所示,在正常運行停泵前,如果采用電動裝置完全關(guān)閥,則電動裝置不但要承受水泵出口的正向水動力力矩,而且還要承受緩閉油缸的阻尼力矩,電動裝置就要承擔越來越大的負荷。為了減少關(guān)閥時的這種風險,就要在正常停泵前先用電動裝置將閥門蝶板關(guān)50°～60°然后停泵,閥門則自動關(guān)閉,同時可減少電動裝置的負荷。

圖6 正常停泵的耦合器

節(jié)流調(diào)節(jié)如圖7所示,為電動裝置帶動電動端耦合齒爪強制關(guān)閉蝶板,達到限流調(diào)節(jié),亦即關(guān)小電裝運行角度,壓小蝶板開度。假如限流調(diào)節(jié)在40°,如遇水泵突然失電,電動端耦合齒爪與軸端耦合齒爪仍有52°齒間隙,也不會產(chǎn)生兩齒爪相碰現(xiàn)象,機構(gòu)傳動可靠,可保證安全的節(jié)流調(diào)節(jié)。

圖7 節(jié)流調(diào)節(jié)狀態(tài)的耦合器

總之,在正常停泵、水泵事故失電及節(jié)流各工況下,電裝與軸端耦合都能滿足理論要求,關(guān)閉狀態(tài)都涉及快關(guān)、慢關(guān)性能,快關(guān)截斷大量倒流水,慢關(guān)實現(xiàn)緩閉性能并防止水錘。

3 油壓緩閉裝置應(yīng)用與分析

油壓緩閉裝置通過油缸活塞桿、回轉(zhuǎn)拐臂與閥軸連接,閥門可按設(shè)定的關(guān)閥程序,通過快、慢2個階段平穩(wěn)關(guān)閥,保證水泵及系統(tǒng)運行安全。止回閥一旦安裝在管道系統(tǒng)上,它就成為這一完整系統(tǒng)的流體部件之一,水泵突然失電時,其蝶板啟閉過程就要受它所處系統(tǒng)瞬變流動狀態(tài)的影響。另外,閥門的關(guān)閥特性又對流體流動狀態(tài)產(chǎn)生反作用,一旦發(fā)生突然事故或失電,能有效防止破壞性水錘的發(fā)生。

3.1 快關(guān)、慢關(guān)特性

快關(guān)階段蝶板在重錘力矩、蝶板自重力矩及倒流水作用下關(guān)閉80%～85%角行程,以截斷大量倒流水。而慢關(guān)階段是在快關(guān)階段結(jié)束,由油缸中設(shè)定的節(jié)流元件進行節(jié)流,油缸下部的液壓油對油缸活塞產(chǎn)生阻尼,開始慢關(guān)(如圖8所示)。這種節(jié)流元件為變節(jié)流結(jié)構(gòu),節(jié)流面積隨關(guān)閥過程蝶板角行程位移而變化,所以有較好的緩閉性能。

圖8 關(guān)閥角行程-關(guān)閥時間曲線

3.2 緩閉功能調(diào)整

如圖9所示,油壓緩閉裝置通過調(diào)整節(jié)流元件的節(jié)流面積大小(如圖10所示),實現(xiàn)慢關(guān)時間的調(diào)整。

圖9 油壓緩閉裝置

(1)當需要延長緩閉時間時,則將節(jié)流桿按箭頭方向順時針旋轉(zhuǎn),每旋轉(zhuǎn)1周,節(jié)流結(jié)構(gòu)上升2 mm,如果需要縮短緩閉時間,則逆時針旋轉(zhuǎn)節(jié)流結(jié)構(gòu)。

(2)若關(guān)閥時間太短并伴有明顯的蝶板撞擊聲和水錘升壓,即為油缸緩沖能力太弱,需要減小Ly值,若是雙油缸則要保證兩側(cè)調(diào)整量相同;如關(guān)閥時間太長,則會發(fā)生水泵倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象,說明缸緩沖能力太強,需要增大Ly值。總的原則是:要有與工況相適應(yīng)的緩閉時間,保證閥門正常關(guān)閉,不致水泵倒轉(zhuǎn),又具備良好的防水錘性能。

(3)閥門節(jié)流結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)在無介質(zhì)情況下進行,油缸中注入#45抗磨液壓油并排出缸內(nèi)空氣,在正常運行時,應(yīng)能觀察到油杯油位,停止時以油位大于1/2油杯體高度為宜。節(jié)流元件調(diào)整好應(yīng)做好技術(shù)記錄,記錄Ly值和有關(guān)元件調(diào)整值并鎖定調(diào)整元件;設(shè)備運行時不得隨意調(diào)整節(jié)流裝置,以防止出現(xiàn)與系統(tǒng)工況不相適應(yīng)的情況;設(shè)備檢修后應(yīng)根據(jù)原始調(diào)整記錄,恢復各調(diào)整值。

圖10 節(jié)流結(jié)構(gòu)

4 檢修維護的關(guān)鍵點與建議

(1)根據(jù)使用情況,存在的主要問題為:緩閉油缸節(jié)流元件調(diào)整時,節(jié)流結(jié)構(gòu)Ly值上升多少緩閉時間延長多少,或節(jié)流結(jié)構(gòu)Ly值縮短多少緩閉時間減少多少,這之間沒有確定的數(shù)據(jù)參考,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際使用與總結(jié)來調(diào)整緩閉時間,需依據(jù)水泵揚程等工況條件和重錘之間的相互配合等,經(jīng)反復多次才能最終確定。建議制造開發(fā)單位通過試驗,總結(jié)出不同通徑及各種條件工況下節(jié)流元件中的Ly值和緩閉時間,便于使用者在針對各自設(shè)備的調(diào)整時有參考依據(jù),以達到易于調(diào)整和安全可靠之目的。

(2)節(jié)流結(jié)構(gòu)位置的調(diào)整必須按程序要求結(jié)合實際進行,不能僅僅根據(jù)出水閥完全關(guān)閉或接近完全關(guān)閉時工況條件下,停泵關(guān)閥的緩閉性能作為依據(jù)進行調(diào)整。

(3)改進節(jié)流調(diào)整桿下方的密封裝置,解決滲、漏油現(xiàn)象,因為密封是評價設(shè)備健康水平的重要標志之一。

(4)在實際檢修中,如發(fā)現(xiàn)電動端和軸端耦合器兩齒爪磨損變形或損壞,加工時應(yīng)確定好扇形耦合齒爪的圓心角,控制好加工誤差,防止在水泵失電或正常關(guān)閉時發(fā)生2齒爪相碰現(xiàn)象,保證耦合器處于良好的工作狀態(tài)。

(5)需要先關(guān)水泵出水閥時,在水泵電動機電流達到空載然后停泵的系統(tǒng)中,其耦合器齒爪、蝶板要承受較大的正向水動力力矩和緩閉油缸阻尼力矩,因此,在保證耦合器齒爪必要的強度和扭矩的情況下,還必須滿足電動機相應(yīng)的功率要求,才能在對應(yīng)工況下正常工作。

(6)選用合理、標準的水泵出水短管,避免短管太短、大小頭直徑比太大,否則,會造成泵出口處水流的湍流狀態(tài),導致局部水力損失增大、能耗高,而且還會使蝶板發(fā)生振動和擺動,因此,選用合理的水泵出水短管是十分必要的。

5 結(jié)論

(1)空程耦合器將電動端與閥軸之間的直接傳動,轉(zhuǎn)化為非直接傳動的具有空程耦合的傳動,通過與油壓緩閉裝置在斜座式止回閥的有機結(jié)合,使得這一技術(shù)得到很好的應(yīng)用。在取、供水以及需要兼?zhèn)渲够睾徒刂构πУ南到y(tǒng)中,能有效防止系統(tǒng)失電時造成的破壞性水錘,提高了設(shè)備及系統(tǒng)的安全性和可靠性。

(2)通過分析各工況條件下耦合器、油壓緩閉油缸相互結(jié)合的工作狀態(tài)提出一些設(shè)備檢修、調(diào)整的注意事項和改進建議,能更好地改進設(shè)備和完善現(xiàn)場技術(shù)管理,保證設(shè)備安全運行。

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