透平廢熱煙道氣動蝶閥結構優化方案研究

楊天郁， 楊林， 孫俊

（1.中海油油田建設工程分公司 機械技術服務中心，天津 300452；2.中海油天津分公司 渤南作業區，天津 300452）

0 引言

渤海石油BZ26-2油氣田透平發電機廢熱旁通煙道蝶閥，在調節開度過程中閥桿突然斷裂，閥板彎曲變形，固定閥板與閥桿的螺栓全部斷裂，安裝執行機構的閥座在與閥體焊接的焊口處斷裂。蝶閥的公稱直徑為1240 mm，蝶閥的動作形式為氣動，用于調節參與換熱的廢熱煙氣的流量大小，工作溫度400℃，工作時閥門動作比較頻繁，不工作時處于常開狀態。本文通過對閥桿與閥座在使用過程中的受力情況進行分析，得出了斷裂的主要原因，并提出了可行的改進措施。蝶閥工作示意圖所圖1所示。

1 閥桿與閥座受力分析

1.1 閥板結構

蝶閥的閥板的開啟是由閥桿夾持閥板轉動來完成開啟和閉合的，閥桿的直徑只有40.3 mm，中間銑有8 mm的開口槽，閥板安放在槽內，用M8螺栓固定，以閥桿的兩端為支點轉動，如圖2所示。閥板全部開啟為非工作狀態，由氣動執行機構來帶動閥桿調節閥板的開度大小，從而達到調節煙氣流量參與換熱的多少。此種類型的蝶閥結構比較簡單，便于安裝。但是閥桿的末端會存在8 mm的開口槽，不能形成整圓，對軸套磨損非常嚴重，此種結構的閥桿強度較低，容易變形。

圖1 蝶閥工作示意圖

1.2 受力分析

現場取出的閥桿是從夾持閥板的終端斷裂的，但同時閥桿有很大程度的彎曲，閥板在邊緣處被撕裂出50 mm長的裂縫，裂口處有閥桿觸碰過的痕跡，閥板沿閥桿方向由中間向兩端整體彎曲。從斷面的情況和閥板上損壞的痕跡來判斷，很明顯閥桿是被扭斷。從蝶閥的結構中不難看出在閥桿斷裂處的轉矩值最大，它等于閥板重力所產生的轉矩和閥桿末端在閥體的襯套內由于閥桿與閥板的重力所產生的摩擦力形成的轉矩，雖然在實際工作中煙道內的煙氣會產生一定的壓力，但是蝶閥的閥板是圍繞對稱軸旋轉，它兩側的受力不同，在閥板動作時，一側將產生阻止閥板動作的力，另一側產生幫助閥板動作的力，這兩種力可以相互抵消忽略不記。可以根據閥桿的受力情況，對其進行受力分析，并校核閥桿的抗扭強度。

根據閥桿的受力情況（圖4），將閥桿簡化成如圖5的力學模型，在A、B、C三點分別存在轉矩，根據靜力學平衡方程可求得MA。

圖2

圖3 閥桿斷口

圖4 閥桿受力示意圖

根據 ΣM=0，有 MA-MB-MC=0，可以得出 MA=MB+MC。其中：MB等于閥板重力G1的1/2與單面閥板的重心到蝶閥回轉軸線的距離L的乘積MB=L×G1/2=0.5×370=185 N·m；Mc等于閥桿與閥板總的重力作用在閥桿與閥體套上的摩擦力與閥桿直徑d的1/2的乘積。因為閥桿和襯套的材質均為不銹鋼，所以摩擦因數μ取0.15，故MC=d·μ·G2=0.2×750×0.15=22.5 N·m。

將MB和MC數值代入公式，得

從而得出軸在危險截面處（斷裂部位）的轉矩值T=207 500 N·mm。剪切應力計算公式為

式中：τ為危險截面的切應力，MPa；［τ］為材料的許用扭轉切應力，由于閥桿材質為1Cr18Ni9Ti，所以值取20MPa；T為軸危險截面處所承受的轉矩，N·mm；WT為軸危險截面的抗扭截面系數，mm3；n為軸的轉速，取10 r/min；d為軸危險截面的直徑（中間有豁口，按0.8倍直徑計算），mm。將 MA代入上式得 τ=3 MPa，［τ］值為 15～25 MPa，所以τ＜［τ］。這說明閥桿所受的剪切應力很小，遠遠小于材料的許用應力，閥桿在危險截面處有足夠的強度，這樣小的轉矩是不可能將閥桿扭斷的。

以上的分析證明了正常工作中的調節不能扭斷閥桿，那么就要考慮工作環境的影響和蝶閥如何出現故障導致閥桿折斷。

1.3 斷裂原因分析

閥桿和閥門全部都有彎曲的現象，但從彎曲的方向來看不是扭轉造成的，那唯一的解釋就是煙道內的煙氣在閥板上有一定的壓力。根據現場情況進行分析：蝶閥主要是用來調節煙氣的流量，在其關閉狀態下整個閥板將承受約0.05 MPa的壓力，閥板的受力面積較大，它只是在回轉軸上有兩個約束點，這樣很容易產生彎曲變形，圖6中是閥板模型在受力分析軟件中的模擬變形情況，在加載0.05 MPa后，有很明顯的彎曲變形。

圖5 閥桿簡化受力模型

圖6 閥板模型受力分析圖

閥板和閥桿一直處在400℃左右高溫下工作，不銹鋼在長期高溫下受力將產生蠕變，雖然不銹鋼抗蠕變性能較好，但是閥板受壓變形較大，在高溫下也會產生永久的彎曲變形。板產生自中間向兩端的彎曲變形，閥桿由于和閥板用螺栓連接在一起，也跟隨閥板一起彎曲，假設沒有螺栓固定的情況下，閥桿一定會相對于閥板產生位移，那么在閥板彎曲的過程中，螺栓受閥桿和閥板的剪切，另外透平機組并不是一直以來連續工作，也是兩臺機組交替工作，工作和不工作的溫差很大，固定閥板的螺栓與螺母很容易松動，又由于閥板一直在調節動作，作用在閥板上的力不是恒定的，隨著受力的變化，螺栓一次又一次地被剪切，螺栓最終被剪斷，螺栓剪斷后，蝶閥仍在工作，但閥板已經不能被有效地定位，在調節開度的過程中會刮蹭到閥體，不能正常的轉動，使得閥桿上的轉矩成倍地升高，最終導致閥桿斷裂。

從圖3的斷口照片中不難看出，閥桿并非一次性折斷，而是先產生裂紋，隨后裂紋逐漸增大，最終被剪斷，這是由于閥桿夾持閥板的結構形式使得危險截面面積大大的減小造成的，另外截面變化陡峭沒有過渡圓角和高溫下工作也是加速閥桿斷裂的重要因素。

圖7 原蝶閥板模型

圖8 原閥板改進后模型

圖9 新設計閥板模型

圖10 雙閥板結構模型

2 改進措施

2.1 需解決的幾個問題

根據分析結論可以得出，要想解決閥桿斷裂的問題必須從以下幾個方面入手：1）提高閥板的強度，防止其彎曲變形；2）改變閥桿的結構形式，增大危險截面面積；3）提高連接螺栓的強度；4）制作完成后進行必要的熱處理，增強抗蠕變性能。

2.2 改進措施

1）根據閥桿的彎曲變形形式，要增加閥板的抗彎曲強度，單一的平板顯然是不能夠滿足使用要求的（圖7），可以將整塊閥板分成兩塊，焊接在一根套管上，然后再通過增加筋板來提高強度，如圖8所示，閥桿從套管中穿過與其間隙配合，這樣就避免了閥桿夾持閥板的形式，增加了閥桿危險截面的面積；在閥桿的末端也形成了整圓，減少了磨損；在套管和閥桿上鉆若干個孔，用螺栓連接，但螺栓要采用鉸制孔螺栓，并且強度等級高、耐高溫性能好的耐熱鋼螺栓，然后采取永久性防松的措施，防止因為冷熱交替的情況下螺母松落，閥板焊接完成后要進行固溶處理＋時效，得到適當的晶粒度，并改善強化相的分布狀態。

2）另外一種改進方式是重新制作一個閥板，改單片板為雙片板，中間插入截面與兩閥板所形成夾角一致的閥桿，閥桿的兩端仍是和閥體配合的圓柱，閥板的兩個邊角緊貼并進行焊接，這樣在閥板的中間形成了類似菱形截面的空管，增強了閥板整體抗彎曲變形的能力，閥桿和閥板的連接固定方式可用不銹鋼螺栓連接，也采取永久性防松的措施，如圖9所示。

3）本蝶閥主要是在設計上存在缺陷，沒有充分考慮閥板所受的壓力，及高溫下金屬產生蠕變的特性，對于此蝶閥能改造的只是閥板，如果從整體更換的角度考慮我們可以借鑒風閘的原理，考慮將閥板做成兩個分體，有兩個軸，這樣閥板的強度會得到大幅度提高，更能適應高溫、頻繁切換的工況，如圖10所示。

3 結 語

通過對閥桿斷裂問題的分析，從理論上徹底弄清楚了其斷裂的主要原因和斷裂過程，并提出了相應的解決方案和措施，為海上油氣田的生產提供了有利保障，間接地提高了經濟效益。設備中出現的問題不能只是一味地更換配件和修復，應該找出問題的根源，徹底解決問題，才能保障設備更長時間的運轉。

［1］ 支道光.機械零件材料與熱處理工藝選擇［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］ 魏道德，賈玉梅.工程力學［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［3］ 周飛，賈秀穎.金屬材料與熱處理［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［4］ 楊家軍.機械創新設計技術［M］.北京：科學出版社，2008.