轉爐熱風切斷閥損壞原因分析及修復

昌子達 黃偉 丁博

（大冶有色金屬有限責任公司冶煉廠 湖北黃石 435005）

1 前言

某有色金屬冶金企業轉爐熱風切斷閥是一種偏心式氣動蝶閥，其結構主要特點是閥芯傳動桿與蝶板偏心，且蝶板與閥座形成的密封副偏向閥出口側，具有結構簡單、動作快、密封和安全性能好等優點。目前，該熱風切斷閥已超長服役，在使用過程中，存在閥座泄漏量嚴重超標、閥門卡死、氣動附件老化、破損嚴重等問題，已經嚴重威脅到轉爐的安全生產。由于采購新品價格很高，企業成本壓力很大，特別是采購周期長，所以對熱風切斷閥進行修復是很好的選擇。

2 熱風切斷閥結構原理及規格參數

2.1 結構原理

熱風切斷閥主要包括雙氣缸氣動驅動執行機構系統和閥門本體系統兩部分組成，雙氣缸氣動驅動執行機構系統如圖1所示。

閥門主要包括閥體、蝶板、軟密封件O型環、閥座、閥芯傳動桿、填料、軸套、軸襯、定位器（或限位開關）和輔助裝置等零件［1］。閥座鑲嵌在閥體里，并通過填料進行填充密封，閥座內表面與偏心式蝶板形成金屬硬密封結構；軟密封件O型環用于閥芯傳動桿與閥體間的密封；閥芯傳動桿和B軸由兩個安裝在閥體上的軸套支撐，并可以在軸套內自由轉動；閥芯傳動桿和B軸與蝶板之間采用螺栓緊固連接，通過螺栓將閥芯傳動桿扭矩傳遞給蝶板，完成閥口的調節［2］。閥體結構簡圖如圖2所示。

圖1 雙氣缸氣動驅動執行機構系統簡圖

圖2 熱風切斷閥閥體結構簡圖

氣動系統附件主要有氣源、過濾減壓閥、電磁換向閥、氣控閥、鎖止閥等組成，用來控制氣缸運動方向、速度和壓力等參數。

一定壓力流量的氣源作用在氣缸活塞端面上，通過傳動桿和滑塊將活塞桿推力傳遞給撥叉作旋擺運動，從而帶動驅動軸旋轉，由驅動軸將力矩輸出給閥芯傳動桿，進而帶動蝶板旋轉。當活塞桿推力和彈簧彈力以及蝶板反力處于平衡時，蝶板保持所要求的開度。通過控制氣缸工作壓力和出口流量就可以調節蝶板開度和調節速度。

2.2 規格參數

熱風切斷閥用于調節轉爐熱風供應的流量大小，該閥口直徑為800mm，驅動方式為氣動，工作溫度為120℃，最大開合角度為90°，主要參數見表1所示。

表1 熱風切斷閥主要參數表

3 熱風切斷閥受力及故障分析

3.1 閥口流場分析

熱風切斷閥主要用來調節轉爐熱風供應量，熱風中不可避免地含有雜質，且溫度高，腐蝕及沖刷性較強。在閥調節流量時，熱風會對閥座、閥體、蝶板和管道產生沖刷，造成閥座局部磨損以及蝶板表面產生局部劃痕及凹痕，進而使蝶板與閥座間產生縫隙，導致了閥門泄漏量的增加，在實際工作過程中，閥座和蝶板是最容易受損的位置。

利用COMSOL數值仿真軟件對熱風切斷閥閥板閥座流場進行分析，找到閥座、蝶板主要受損區域，為閥門的損壞機理及修復方案提供決策依據［3］［4］。根據實際尺寸1：1進行建模，設定入口風速為1m／s，進出口壓力差設為0.15MPa，流體設為空氣，開度為30°時的速度等值云圖如圖3所示。

圖3 熱風切斷閥閥口流體分析

可以看出，在閥口圓周處速度較大，越靠近閥芯傳動桿頂部處，速度越大，高速流體越集中，最大速度為8.05m／s。因此，熱風對閥座和蝶板外圓周表面的沖擊主要集中在閥芯傳動桿頂部附近的區域。

3.2 軸套受力分析

現場點檢發現，閥芯傳動桿與導向軸套出現咬合，引起閥門卡阻，開閉困難。由于閥門長期處于全開或全關位置，管道中的雜質從蝶板頂部閥芯傳動桿與軸套的間隙進入軸套內部，造成軸套與閥芯傳動桿在閥門動作時出現磨損（兩者之間的間隙過?。?，摩擦力增加，出現閥芯傳動桿和軸套卡死的情況。

按照熱風切斷閥的實際尺寸進行1：1建模［4］，利用有限元軟件來分析軸套的受力情況［5］［6］，設定軸套的材質為08A鋼，其最大屈服強度為195MPa，其物性參數為：密度7800kg／m3、彈性模量2×1011N／m2、泊松比0.29、剪切彈性模量8×1010N／m2。

假定閥口開度為30°的情況，閥口前后壓差為0.15Mpa，將以上參數作為有限元邊界條件，按照圖4進行軸套受力建模與網格劃分，進行軸套受力分析計算，得到軸套受力云圖如圖5所示。

圖4 軸套受力建模與網格劃分圖

圖5 軸套受力云圖

從圖5中可以看出：軸套應力最大值為133.9MPa，較為接近其屈服強度195MPa，靜強度安全系數僅為1.45，特別是在高溫、有磨料磨損的情況下，1.45倍的靜強度安全系數是遠遠不夠的。需要提高軸套材質強度，以提高軸套耐磨性能，同時建議采用帶自潤滑性能的材料。

3.3 氣動系統故障分析

熱風切斷閥在現場已連續使用了五年，氣動系統存在氣缸內漏，氣動基本元件（過濾減壓閥、電磁換向閥、氣控閥、鎖止閥）老化、銹蝕嚴重的情況。

通過分析，發現主要原因是以下幾個方面，即氣動密封嚴重老化，失去密封功能；氣缸內置平衡系統失效，動作不同步，形成卡阻；氣動附件日曬雨淋，由于廠區的酸雨環境，銹蝕嚴重；過濾器失效后，氣源中含有雜質，如灰、塵、細砂等進入氣缸和控制閥內部，對氣缸和控制閥內部造成了嚴重磨損，進而加快了氣動系統的損壞，造成了熱風切斷閥頻繁故障，甚至動作失效。

4 熱風切斷閥修復措施

4.1 修復內容

結合上述受力及故障分析結論，需要從4個方面對熱風切斷閥進行修復：（1）恢復并提高閥板的精度；（2）更換閥座，改進閥座材質，提高閥座耐磨性能；（3）閥桿A、B軸和軸套換新，并改進軸套材質（提高強度和自潤滑性能）；減小閥門開啟和關閉時的卡阻力；（4）修復氣動系統，更換氣動附件，提高閥動作的可靠性。

4.2 修復措施

針對上述修復內容，具體修復措施如下：

①閥板密封表面層堆焊司太來耐溫耐蝕耐磨合金材料，在數控銑床上進行精加工，閥板鍍硬鉻，專用機床拋光，恢復并提高閥板的精度，提高閥板的耐磨性能和密封性能；

②閥座嚴重磨損，局部存在缺口，無法修復，需整體更換閥座，選用材質為改進型碳纖維強化聚四氟乙烯，人工研磨，從而恢復并提高閥門的密封精度；

③軸套位于閥體內部，由于軸套與閥芯傳動桿完全咬合無法取出，采用氧氣割掉閥芯傳動桿，并使用鏜床將閥體中剩余的傳動桿和軸套銑掉；重新采用630系列不銹鋼制作閥芯傳動桿和B軸；軸套采用CU／復合材料，其屈服強度為295MPa，計算靜強度安全系數提高到2.2，軸套經過低溫滲流處理后，有較強的自潤滑功能，改進后的軸和軸套的組合，提高了強度，改進了潤滑，從而可有效減小軸套與閥芯傳動桿、B軸間的磨損，延長閥門使用壽命。

④清理檢查氣缸全套密封圈和內置氣動附件，確保氣缸的整體密閉性；更換一個高效過濾減壓閥，濾除氣動系統氣源中的水和雜質，提高氣動系統的可靠性；更換破損的電磁換向閥和氣控閥，恢復氣動系統的控制和調節功能；更換氣動系統中銹蝕的管路，并進行刷漆防銹處理。

采用上述措施，熱風切斷閥修復質量大幅提升，整個切斷閥煥然一新。整機組裝調試后，按行業標準進行耐壓和泄漏量檢測，修復后的熱風切斷閥達到并超過新品出廠設計指標。

4.3 后期使用建議

避免閥門長期處于固定工作位置，定期將閥門進行全開和全閉的動作檢查，觀察閥門動作是否順暢。定期對氣動系統進行點檢，確保氣動元件正常運行。閥門使用周期達到1.5年（最長不要超過2年）后，需要下線進行拆解維護，主要檢查閥門的動作及密閉情況，更換填料、閥座、軸套和一些密封件。

5 結論

在研究某有色金屬冶金企業轉爐熱風切斷閥故障和結構原理的基礎上，利用有限元軟件對閥門進行仿真分析，找到了該閥損壞的主要原因，并確定了該閥具體的修復方案。該方案修復工期只有短短的十天，徹底解決了此前閥門故障，保證了安全生產的順利進行。此外，單臺修復成本僅7萬元，遠遠小于單臺采購成本28萬元，該冶金企業共有12臺同規格熱風切斷閥，采用以修代換，可節約資金252多萬元，大大降低了企業設備運行成本。并且有計劃的對在線使用的重點設備進行修復，利用定修時間進行逐步更換，可以減少轉爐停機時間，為企業節約可觀的時間和財務成本，也提高了企業設備運行管理和維修的技術水平，具有較好的推廣應用價值。