開關(guān)蝶閥在MBR工藝中的高頻應(yīng)用及研究

孫治祥

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

開關(guān)蝶閥在MBR工藝中的高頻應(yīng)用及研究

孫治祥

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

針對MBR工藝裝置對開關(guān)蝶閥的高頻應(yīng)用要求，以及在實際應(yīng)用中發(fā)生的問題，分析比較了國內(nèi)外高頻開關(guān)蝶閥的應(yīng)用情況及效果，對開關(guān)蝶閥的閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和配套附件三個組成部分在應(yīng)對高頻工況中所起到的作用進(jìn)行了詳細(xì)分析和論述，并提出了適應(yīng)MBR工藝對高頻開關(guān)蝶閥技術(shù)要求合理可行的調(diào)整和配置方案。

高頻；開關(guān)蝶閥；襯膠蝶閥；雙偏心蝶閥；扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)

隨著國家對水資源保護(hù)和節(jié)能環(huán)保的重視，工業(yè)污水處理領(lǐng)域中污水回用技術(shù)正在大力推廣應(yīng)用。尤其是在污水深度處理方面，技術(shù)先進(jìn)的膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝技術(shù)也愈來愈多地應(yīng)用到污水處理中[1]。在MBR工藝過程中，中空纖維膜組件是一個核心關(guān)鍵設(shè)備，特別是高性能的進(jìn)口膜，價格相當(dāng)昂貴。為保證膜的使用壽命及性能，采用自動程序控制方式控制曝氣沖刷系統(tǒng)[2]，利用氣動開關(guān)蝶閥定時頻繁切換來控制低壓、常溫空氣的流量對膜表面進(jìn)行沖刷，以確保膜的使用性能及壽命。這些動作頻率高的開關(guān)蝶閥，在實際生產(chǎn)過程中常常使用不久就出現(xiàn)各種故障，需要進(jìn)行在線維護(hù)或更換，不僅對正常生產(chǎn)帶來較大影響，而且后期維護(hù)成本也較高。

本文針對以上現(xiàn)象，對閥門的各組成部分結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行詳細(xì)分析，找出發(fā)生問題的多方面原因。并通過優(yōu)化選型和配置，徹底解決采用普通開關(guān)蝶閥所產(chǎn)生的故障現(xiàn)象。

1 工藝特點(diǎn)和技術(shù)要求

MBR工藝的污水深度處理裝置膜分離池，流經(jīng)曝氣沖刷系統(tǒng)氣動開關(guān)蝶閥的介質(zhì)為低壓、常溫空氣，但要求閥門每15 s切換一次，其中開、關(guān)時間均不大于3 s，在全年裝置運(yùn)行時間內(nèi)大概需要動作200萬次左右，并要求確保閥門至少一年無檢修。以上工藝特點(diǎn)要求開關(guān)蝶閥高頻切換、快速響應(yīng)、長周期運(yùn)行，對開關(guān)蝶閥的密封性能、使用壽命、可靠性提出了非常嚴(yán)苛的要求。

根據(jù)MBR工藝特點(diǎn)對曝氣沖刷系統(tǒng)氣動開關(guān)蝶閥提出的要求歸納為：開關(guān)頻率高、速度快、密封性能好、使用壽命長。該氣動開關(guān)蝶閥主要由以下幾部分組成：閥體、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門附件（電磁閥、回訊開關(guān)、過濾減壓閥等），如圖1所示。

圖1 氣動開關(guān)蝶閥Fig.1 Pneumatic butter fl y on-off valve

國內(nèi)MBR工藝污水深度處理裝置中，高頻應(yīng)用場合的開關(guān)蝶閥配置和應(yīng)用情況分析見表1。

2 閥體結(jié)構(gòu)及材料的分析與選擇

由于MBR工藝中被控介質(zhì)為低壓常溫空氣，我們首先選擇了軟密封蝶閥，軟密封適用于低壓、常溫，且非常經(jīng)濟(jì)。軟密封副摩擦扭矩相比金屬硬密封小很多，只要配置較小的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可驅(qū)動，且儀表氣容量較小，便于快速動作。但對于高頻應(yīng)用場合，軟密封蝶閥需要解決的關(guān)鍵是密封性能的使用壽命。軟密封蝶閥最常見的是中線對稱的襯膠蝶閥[3]，見圖2。其次是高性能的雙偏芯蝶閥，見圖3。

表1 MBR工藝中曝氣沖刷系統(tǒng)普通開關(guān)蝶閥配置和應(yīng)用情況分析Tab.1 The con fi guration and application analysis for the on-off valve in the aeration scouring system of MBR process

圖2 襯膠蝶閥Fig.2 Rubber lining butter fl y valve

圖3 雙偏心蝶閥Fig.3 Double eccentric butter fl y valve

中線對稱襯膠蝶閥和雙偏心軟密封蝶閥的使用壽命和可靠性，分析如下：

（1）中線對稱襯膠蝶閥的閥座（密封環(huán)）是高性能橡膠，作為高性能密封的橡膠彈性越好，則密封越好，但彈性越好的橡膠一般耐磨性能較差，無法保證長壽命使用，因此中線對稱襯膠蝶閥的閥座，無法兼顧彈性和耐磨性。而雙偏芯軟密封蝶閥的閥座（見圖4）將閥座的彈性功能和密封功能分解為密封環(huán)和墊環(huán)兩個元件，考慮到長壽命要求，作為密封功能的密封環(huán)材質(zhì)由原先聚四氟乙烯改為采用高強(qiáng)度、高耐磨的添加15 %碳纖維和5 %二硫化鉬的強(qiáng)化聚四氟乙烯，滿足MBR工藝工況。作為彈性功能的墊環(huán)為316SS彈簧，足夠的彈簧初始壓力提供密封環(huán)對閥板足夠的面壓，同時，流體壓力的方向也有利于密封環(huán)張開的方向，提供可靠密封更大的面壓，完全可以做到嚴(yán)密切斷，滿足密封性好的技術(shù)要求。

圖4 雙偏心蝶閥的閥座Fig.4 The seat of double eccentric butter fl y valve

（2）中線對稱襯膠蝶閥由于閥體、閥板是同芯的，閥板在啟閉過程中和閥座完全接觸，如果高頻動作，閥板對閥座的磨損非常大，而雙偏芯蝶閥的密封面（見圖5）中心和回轉(zhuǎn)中心有一個偏芯，軸的回轉(zhuǎn)中心和閥板密封面中心又有第二個偏芯，閥板和閥座只在全關(guān)位置才接觸，避免了99 %的閥板對閥座的磨損，大大提高了閥座的使用壽命，滿足了200萬次以上的開關(guān)壽命。

通過以上分析，可見雙偏心軟密封蝶閥比中線對稱襯膠蝶閥更適應(yīng)于MBR工藝曝氣沖刷系統(tǒng)的工況應(yīng)用。此外，針對不銹鋼閥桿材料的使用壽命、耐磨性不夠，在長時間高頻開關(guān)操作工況下，易造成上述材料使用壽命縮短、損壞的現(xiàn)象，首先考慮將雙偏芯蝶閥的軸（閥桿）導(dǎo)向（軸承）材料改選為NITRONIC 60，這種高鎳基合金材料除了有較好的耐磨性，還有很好的潤滑性，同時機(jī)械切削性能卓越，可以加工出高精度的表面，因而閥桿的摩擦力非常小，有利于高速、頻繁動作；其次考慮將閥板和閥桿之間通過圓柱銷固定并密封焊接，確保高頻工況下的可靠傳動。

圖5 雙偏心蝶閥的密封面Fig.5 The sealing surfaceofdouble eccentric butter fl y valve

3 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析與選擇

開關(guān)蝶閥閥體部分的高頻、密封、可靠、長壽命動作問題解決后，合理配置與之匹配的氣動驅(qū)動裝置是必不可少的。常用的氣動驅(qū)動裝置有齒輪齒條式執(zhí)行機(jī)構(gòu)和撥叉式執(zhí)行機(jī)構(gòu)[4]，應(yīng)用分析如下：

（1）齒輪齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)，見圖6。齒輪齒條一般都是壓鑄的鋁合金，不再精加工，傳動精度和動作壽命有限，同時內(nèi)部傳動構(gòu)件全部在驅(qū)動氣室中，儀表氣容量大，不利于高速動作，再有執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣源管預(yù)埋在氣缸中，氣源管徑較小，國內(nèi)無法特殊制造，很難達(dá)到更高的動作速度，不適合長期的高頻動作運(yùn)行。

圖6 齒輪齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.6 Rack and pinion actuator

（2）撥叉式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，見圖7。其曲柄、滑塊和活塞桿等傳動構(gòu)件和氣室是分開的，氣缸容量較小，容易實現(xiàn)快速動作，氣源接口可以根據(jù)動作速度要求設(shè)計、制造得較大，從而接入較大的儀表氣配管、實現(xiàn)快速動作，缺點(diǎn)是扭矩傳動部分構(gòu)件在高頻動作下磨損嚴(yán)重，需選用特殊材料加工才能保證長期使用，國內(nèi)生產(chǎn)的撥叉式執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品目前還無法做到。

圖7 撥叉式執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.7 Scotch yoke actuator

很顯然上述兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)都難以滿足MBR工藝中高頻開關(guān)蝶閥，使用頻率非常高，且開關(guān)時間短的特性要求。因此，需要考慮選用一種新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以滿足工藝裝置要求。國外生產(chǎn)的扇形雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，見圖8。因為該扇形活塞和輸出軸直連，中間沒有扭矩轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，不存在扭矩轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的磨損，使用壽命最長可達(dá)300萬次，也不像齒輪齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動部件使得無用的氣室增大，扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)和撥叉執(zhí)行機(jī)構(gòu)一樣氣室相對較小，容易實現(xiàn)快速動作。

圖8 扇形雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.8 Vane double action actuator

閥門雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)全行程動作時間t按式（1）計算。

式中Vc——雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室容量， L；

Cv—— 氣動回路（過濾減壓閥、電磁閥、配管等）最小流通能力，L/s。

0.6為雙動作時間計算系數(shù)。

φ8×1的空氣配管Cv= 1.0 L，選用1/4″低功率電磁閥，Cv= 0.73 L/s。

以ANSI 150 lb（1 lb≈0.45 kg）DN 200蝶閥為例，某扭矩下閥門采用不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室容量的動作時間及特點(diǎn)見表2。

表2 不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作時間及特點(diǎn)Tab.2 Action time and speci fi cation forthe different actuator

從表2中可以得出扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)和撥叉式執(zhí)行機(jī)構(gòu)均能滿足動作時間要求，但扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)更適合高頻、快速閥門動作。

4 附件配置分析與選擇

雖然高性能的雙偏芯蝶閥和扇形執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合成一臺完美的高頻、可靠、長壽命的高頻開關(guān)蝶閥，但閥門信號控制部分的可靠性還取決于電磁閥和限位開關(guān)性能和壽命。在實際應(yīng)用中電磁閥和限位開關(guān)這些附件的配置也是至關(guān)重要的。因此，需選用高性能、高質(zhì)量、低功耗型電磁閥（功率≤4 W）[5]，較小的功率即使頻繁勵磁，電磁閥也不會因線圈過熱而損壞；限位開關(guān)選擇接近式，由于非機(jī)械接觸式，故障率很低，使用壽命很長。

5 結(jié)束語

通過上述對高頻開關(guān)蝶閥的結(jié)構(gòu)、材料、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及配件等全面分析，得知MBR工藝中要求高頻動作的蝶閥，除對閥門密封結(jié)構(gòu)形式、密封環(huán)與閥桿材質(zhì)有特殊要求外，配置性能優(yōu)良的扇形雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對電磁閥、限位開關(guān)等進(jìn)行合理選型，才能滿足MBR工藝對高頻開關(guān)蝶閥的技術(shù)要求。采用雙偏心蝶閥+扇形雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)及配套閥門附件，組合成高頻開關(guān)蝶閥，并進(jìn)行一系列相關(guān)性能檢驗與測試[6-7]，已在工程實際的運(yùn)行中取得了滿意效果。

[1]顧國維，何義亮. 膜生物反應(yīng)器——在污水處理中的研究和應(yīng)用[M]. 北京：化工工業(yè)出版社，2002. 5.

[2]楊龍. MBR工藝中膜污染現(xiàn)象及其防護(hù)措施探討[J]. 中國水運(yùn)2012. 1（3）：261-262.

[3]陸培文. 實用閥門設(shè)計手冊（ 第二版） [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]房汝洲，最新國內(nèi)外閥門標(biāo)準(zhǔn)大全[M]. 北京：中國知識出版社.2006.

[5]SH/T 3005—2016，石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范[S].

[6]API 598—2009，美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)：閥門檢驗和試驗[S].

[7]API 609—2010，美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)：雙法蘭、凸耳和對夾式蝶閥[S].

Application and Study of Butter fl y On-off Valve under High Frequency Condition in MBR Process

Sun Zhixiang

（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

Regarding to the application of on-off butter fl y valve under high frequency condition in MBR process and the problems occurred in practical applications, the butter fl y valve existed at home and abroad for high frequency condition were analyzed and compared. The functions of valve body, actuator and supporting accessories to high frequency condition were described and analyzed in detail. Then appropriate adjusting and con fi guring measures so as to adapt the technical speci fi cations for butter fl y valve applied under high frequency condition were presented.

high frequency; on-off butter fl y valve; rubber lined butter fl y valve; double eccentric butter fl y valve; vane actuator

TQ 055.8+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-817X（2017）05-0047-004

2017-07-26

孫治祥（1962—），男，工程師，主要從事石化儀表設(shè)計。