裂解氣閥膨脹節(jié)導流管設計及選型

李 丹

（中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司，遼寧遼陽 111003）

0 引言

目前廣泛應用于石油化工、煤化工和天然氣化工等行業(yè)的硬密封雙閘板閘閥，其密封結(jié)構(gòu)經(jīng)過硬化處理，密封面硬度高而耐沖刷和磨損，在含耐磨介質(zhì)工況、高溫工況下，使用壽命、使用效果遠優(yōu)于平板閘閥。帶導流孔的平板閘閥在結(jié)構(gòu)上僅提供了閥門在開位時用于流通的通道，因此無法補償閥座磨損，不能形成主動密封。對此閥門的導流裝置進行改造，實現(xiàn)在平行式雙閘板閘閥中既滿足導流孔的作用又能實現(xiàn)開位密封。

1 膨脹節(jié)導流管結(jié)構(gòu)簡介

膨脹節(jié)導流管主要組成見圖1，上法蘭和下法蘭通過波紋管連接，導流管作為導流裝置的內(nèi)襯一端與上法蘭焊接，另一端放開，使用時介質(zhì)流方向由上法蘭向下法蘭方向。

圖1 膨脹節(jié)導流管結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)分析

膨脹節(jié)導流管中的波紋管是導流裝置關(guān)鍵部件，利用波紋管的彈性元件特性實現(xiàn)導流裝置的伸縮，保證膨脹節(jié)導流管在裝入閥體后，兩端的密封面與閥體閥座密封面始終有密封壓力存在，從而達到閥門在開啟位置的密封。

在結(jié)構(gòu)長度尺寸相對固定的情況下，波紋管規(guī)格型號的選擇關(guān)系整個膨脹節(jié)導流管的使用性能。在以往使用的平行式雙閘板閘閥中，膨脹節(jié)導流管選用的波紋管為單波結(jié)構(gòu)。通過了解在線運行的閥門，開啟位密封的效果會隨使用時間的延長逐漸失效，在排除閥門密封面受損的情況下，直接原因為膨脹節(jié)導流管收縮，兩密封面間距達不到開啟位密封所需要的值。針對這種狀況，在波紋管總高度一定的基礎上，將波紋管改為3波結(jié)構(gòu)。通過計算比較，驗證帶3波波紋管的膨脹節(jié)導流管具有優(yōu)越性。

3 相關(guān)計算及設計研究

3.1 U形波紋管設計計算（圖2和圖3）

根據(jù)U形波紋管設計手冊的計算公式，波紋管單波軸向剛度fiu計算見（1）式。

式中Dm——波紋管平均直徑，mm

Etb——波紋管材料在溫度t時的彈性模量

δm——波紋管成型后的單層名義厚度，mm

D——波紋管直邊端外徑，mm

h——波紋管波高，mm

Cf——U形波紋管計算修正值，見（2）式

n——膨脹節(jié)層數(shù)

式中rm——型波紋管波峰（谷）的平均曲率半徑，mm

以（DN600～DN1200）mm各規(guī)格閥門為計算對象，均為單層波紋管（圖3），且厚度選擇均為 2mm，取1.79×105MPa，得出表1 數(shù)據(jù)。

在保證波紋管強度和不失穩(wěn)的條件下，從表1可以看出，同規(guī)格下，選擇3波波紋管約為單波波紋管剛度的2.5倍。同時，3波波紋管受制造的不均勻情況的影響要小于單波波紋管，受力的均勻性方面好于單波波紋管。

圖3 單波波紋管波形

表1 3波、單波數(shù)據(jù)對比

3.2 密封力及撐開機構(gòu)碟簧選型計算

（1）膨脹節(jié)密封力計算（圖4）。密封面密封力FMF計算見公式（3）。

式中DMN——密封面內(nèi)徑，mm

bM——密封面寬度，mm

qMF——密封面比壓

（2）單個撐開碟簧組載荷。當波紋管正常狀態(tài)時，其剛度為表1所示，此時撐開碟簧組為自然狀態(tài)，膨脹節(jié)密封面與閥座密封面之間的密封力由波紋管的軸向彈力提供。

波紋管需最大壓縮的量為ΔX=FMZ/fiu。當波紋管預壓縮量失效時，此時撐開碟簧組開始作用為膨脹，提供膨脹節(jié)密封面與閥座密封面密封所需的密封力。單個撐開碟簧組載荷FMZ=FS/m，其中，F(xiàn)S為碟簧組膨脹力，m為撐開碟簧組組數(shù)，碟簧規(guī)格選擇按Φ50mm×25.4mm×3mm，一組由8片碟簧組合而成。碟簧最大變形壓縮調(diào)整量 ΔX＇=8FMZ/fi，其中，fi為碟簧剛度。

在閥門正常工作過程中，閥門開位位置的密封力由膨脹節(jié)波紋管和輔助撐開機構(gòu)的碟簧組共同提供。選擇合適的3波波紋管和碟簧的組合對閥門開位密封起著關(guān)鍵的作用，在保證開位密封的情況下，同時保證開關(guān)時密封面之間的摩擦力不會過大的開關(guān)動作。

4 結(jié)論

在閥門設計、制造、使用過程中,膨脹節(jié)導流管選擇合適的波紋管及輔助撐開機構(gòu)，能達到以下優(yōu)點。

（1）導流裝置在閥門開位具有撐開機構(gòu)的預緊力輔助密封，密封效果可靠，使用壽命高。閥門在開位時雜質(zhì)，顆粒等不會進入閥腔堆積，從而達到免維護運行的目的。

（2）保護閥座。導流裝置在閥門開位時密封結(jié)構(gòu)受到保護，不受結(jié)構(gòu)的沖刷、磨蝕，改善了閥門的密封副的壽命。

（3）彈性元件提供密封力的同時可以吸收閥門熱膨脹的變形和管系應力，作為有預緊力的儲力單元，導流裝置還可以補償密封面的磨損量，從而達到延長閥門壽命的作用。

［1］楊玲，謝守勇.膨脹節(jié)波紋管優(yōu)化設計［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2006，37（9）：153-156.