電動耐腐蝕截止閥的選型設計與試驗研究

鄒志云,孟 磊,朱文超,陳路明,林 浩

(國民核生化災害防護國家重點實驗室,北京 102205)

0 引言

電動截止閥通過電動機驅動閥門控制流體介質的通斷,并采用行程和轉矩控制系統控制內置電動機的運轉,以實現截止閥開閉行程和轉矩的精確控制,從而達到對閥門進行可靠、準確遙控的目的[1-2]。電動截止閥在石油、化工、冶金和發電等行業得到廣泛應用。采用耐腐蝕材質制作閥體的電動耐腐蝕截止閥則特別適用于工藝介質腐蝕性強的工業生產過程[3]。

目前,國內外電動截止閥研究工作一方面側重于使用新材料制作閥體、優化閥門結構設計、改進閥門制造工藝[4-6],以提高電動閥的可靠性和耐用性[7-8]、減少泄漏、降低能耗;另一方面側重于研究核級[6]、船用[9]等特種電動截止閥,以滿足核電站、艦船等特殊場合的流體控制要求。電動閥研究的發展趨勢為:應用計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)方法進行閥體內流場的模擬、閥體結構強度分析、疲勞壽命預測[10];使用傳感器和高級控制系統自動監控和調整閥門狀態;通過大數據和機器學習技術預測和預防閥門故障等[11]。

某系列精細化學品生產裝置原來使用多年的批量進口電動耐腐蝕截止閥已達到使用年限,行將淘汰[3]。為了選擇國產電動耐腐蝕截止閥替代品[3,12],在前期研究工作的基礎上[3,12-13],需要對電動截止閥的操作特性作進一步分析[6,9,14],計算并確定閥門操作轉矩、電動裝置輸出轉矩。通過選型和試驗研究,本文提出滿足該系列精細化學品生產裝置工藝要求的電動耐腐蝕截止閥,為新一代生產裝置的工程設計提供電動耐腐蝕截止閥選型設計的技術依據。

本文選用國產DZY5型閥門電動裝置[12],與J41W-25R截止閥[13]配合構成一種電動截止閥。本文先后分析、研究了其行程限制機構和轉矩限制機構的工作情況,測試了DZY5型閥門電動裝置的機電性能,并經氣密性和流通性試驗以及閥體材質的耐腐蝕性試驗,從而形成了采用DZY5型閥門電動裝置配合115#不銹鋼構建電動耐腐蝕截止閥的選型設計技術方案。試驗結果表明,該方案能夠替代進口電動耐腐蝕截止閥,滿足某系列精細化學品生產裝置的工藝操作要求。

1 閥門操作特性分析

為了研究電動截止閥,必須把握截止閥的操作特性,以明確截止閥作為啟閉件時對電動裝置的配合要求[2,6,12]。

從結構上看:截止閥的啟閉件是塞形的閥芯;密封面呈平面(或錐面);閥芯沿流體流線方向作直線運動,以截斷或開啟流體的通道。電動截止閥在運動形式上可分為升降閥桿和升降旋轉閥桿。DZY5型閥門電動裝置采用導向器將旋轉輸出轉化為閥桿上下運動(又稱“升降閥桿”)。因為截止閥是一種強制密封式閥門,所以在閥門關閉時必須向閥芯加壓,以確保密封面不泄漏。

一般情況下,截止閥開啟高度達到閥門公稱通徑的25%～30%時,流量已達到最大。此時,閥門開度已達到全開,但閥芯實際并未達到全開位置。一般截止閥要求電動裝置在關閉時采用力矩保護裝置,以確保閥門的密封性,而開啟時可采用行程控制裝置或力矩保護裝置。進口電動閥的開啟、關閉都是采用力矩保護裝置。

截止閥操作轉矩特性曲線如圖1所示[12]。

圖1 截止閥操作轉矩特性曲線示意圖

本文根據圖1曲線分析閥門的全開到全關過程。操作力所克服的阻力是閥桿和填料的摩擦阻力和介質壓力在閥桿截面上造成的推力。隨著閥芯的下降,流體在閥芯前后造成壓差。閥芯前后的壓差用于阻止閥芯下降,而且閥門操作遇到的阻力隨閥芯下降而迅速增大。在全關時,閥芯前后壓差等于介質工作壓力。這時的阻力最大,再加以強制的密封力,使得閥門關閉時的瞬間操作力急劇增加。在開啟過程中,介質壓力或閥芯前后的壓差都是幫助“開閥”的。但應該指出的是,開閥瞬間的轉矩有可能超過關閉時的轉矩。這是因為此時需克服較大的凈摩擦力。

一般情況下,閥門關嚴后再次開啟所需的操作力矩比關嚴閥門的操作力矩要大50%以上,才能保證可靠開啟關嚴的閥門。為此,要求電動裝置應能保證開閥和關閥具有不同的操作轉矩,并且具有足夠的操作轉矩以開啟關嚴的閥門。

2 閥門操作轉矩和電動裝置輸出轉矩

2.1 閥門操作轉矩的確定

為了給閥門配備電動裝置,必須明確閥門工作中需要多大的操作轉矩,從而合理選擇電動裝置所需的轉矩。假如在選擇電動裝置時,電動裝置的輸出轉矩低于閥門的最大操作轉矩,則會出現閥門無法開啟、關閉不嚴的現象,進而影響主要設備的工藝操作過程。如果電動裝置的輸出轉矩選擇過大,就會出現電動裝置帶載能力過剩,甚至損壞閥門。

本文以某精細化工裝置生產操作實際工作中的工藝參數及閥門參數進行計算。該精細化工裝置重建工程對電動閥的技術指標要求如下:閥門的公稱通徑為DN15～DN50 mm;閥門的前后壓差小于0.3 MPa;選配閥門的公稱壓力為1.6 MPa;流通介質為液體;閥桿直徑與螺距為φ20 mm×4 mm。為了求得閥門的最大操作轉矩,各參數均取最大值:公稱通徑為DN50 mm;公稱壓力P=1.6 MPa=156.906 4 N/cm2。

計算過程采用我國閥門操作轉矩簡易計算法(即查表法)[2,12-13]。計算過程如下。

①閥門流通面積(S)。

(1)

式中:R為閥門內徑的半徑,cm;D為閥門內徑,cm。

本文取D=5,得到S=19.635 cm2。

②閥門系數。對于DN50 mm以下的截止閥,液體介質溫度T<400 ℃。本文取閥門系數為1.5。

③摩擦力。對于升降桿DN20～DN50 mm,本文取摩擦力為6 668.522 N。

④凈推力。凈推力=閥門流通面積×壓差×閥門系數=19.635×16×1.5=4 621.286 N。

⑤總推力。總推力=凈推力+摩擦力=4 621.286+6 668.522=11 289.808 N。

⑥閥桿系數。對閥桿φ20 mm×4 mm,本文通過查表,取閥桿系數為0.001 95。

⑦轉矩(MF)。MF=總推力×閥桿系數=11 289.808×0.001 95=22.015 N·m。

此操作轉矩簡易計算法比較簡便,但計算較為粗略,因而計算值略大于其他方法。根據以上計算可知,閥門的最大操作轉矩為22.015 N·m。

2.2 電動裝置輸出轉矩的確定

電動閥門是由電動裝置和配用閥門組成的。電動裝置是提供閥門操作的機構。為此,要求電動裝置具有使閥門可靠操作的轉矩,使電動裝置的最大輸出轉矩與配用閥門所需的最大操作轉矩相適應,以保證電動閥門可靠運行。一般情況下,為了給閥門配用電動裝置,應使電動裝置的最大輸出轉矩有適當的余量,從而保證在任何情況下都能可靠地操縱閥門,而又不至于損壞閥門零部件。

在正常條件下,電動裝置的最大輸出轉矩MD選擇正常運行條件下閥門所需最大操作轉矩的1.5倍左右為宜。由此可得MD=1.5MF=1.5×22.015=33.023 N·m。這就是說,只要電動裝置的輸出轉矩不小于33.023 N·m,就能保證該電動裝置驅動DN50 mm以下閥門在工作壓力1.6 MPa以下的管路上可靠運行。

3 DZY5型電動裝置的行程限制機構

行程限制機構可以準確地控制閥門的開啟和關閉位置。對于強制性和非強制性密封閥門,閥門的開啟和關閉位置都可以采用行程控制機構來定位。為了防止泄漏,關閉時不能采用行程控制機構來定位,而必須采用力矩保護裝置。強制性密封閥門關閉時必須使操作轉矩達到規定值,以保證閥門關閉的嚴密性。否則,要么關不死,要么損壞閥門。

DZY5型電動裝置行程限制機構采用三層計數進位齒輪傳動[13]。

DZY5型閥門電動裝置行程限制機構工作原理如圖2所示。

圖2 DZY5型閥門電動裝置行程限制機構工作原理

DZY5型閥門電動裝置行程限制機構的工作過程如下。

①主動齒輪帶動個位齒輪旋轉。當個位齒輪走過20個齒(主動齒輪走過20個齒)時,個位齒輪上部的2個齒帶動過橋齒輪1走過2個齒,而過橋齒輪1同時帶動十位齒輪走過2個齒。

②當個位齒輪旋轉10周(即主動齒輪走過200個齒)時,個位齒輪將帶動過橋齒輪1走過20個齒。這時,過橋齒輪1已帶動十位齒輪旋轉1周。而十位齒輪又帶動過橋齒輪2走過2個齒,再由過橋齒輪2帶動百位齒輪走過2個齒。

③同理,當個位齒輪在主動齒輪帶動下旋轉100圈時,十位齒輪將旋轉10圈,而百位齒輪將旋轉1圈。百位齒輪上部的2個圓柱齒將帶動過橋齒輪3走過2個齒,即旋轉了90°。

④因為過橋齒輪3與軸緊配合,所以此時過橋齒輪3將帶動固定在軸上的觸塊旋轉90°以觸動微動開關,從而達到行程控制的目的。

用三層計數式行程控制機構控制最小調整量,就是改變個位齒輪1個齒時的閥芯位置(直線方向)變化量。對于DZY5型閥門電動裝置:輸出軸最大轉圈數為10圈;閥桿直徑與螺距為φ20 mm×4 mm。三層計數器改變個位齒輪1個齒時,閥芯行程的變化量Δh為:

(2)

式中:h為閥桿螺距,mm;N為電動裝置的最大轉圈數;n為計數式行程控制機構層數。

本文取h=4、N=10、n>3,得到Δh=0.02 mm。

對于轉10圈閥門,總行程為10×4=40 mm,最小調整量為0.02 mm。這樣的調節精度足夠高。

采用計數器式行程控制機構時,電動裝置的運行性能比較可靠、微調量小、調整方便,因此即使系統慣性也不會引起微動開關誤動作。

4 DZY5型閥門電動裝置的轉矩限制機構

轉矩限制機構的主要功能是限制電動裝置的輸出轉矩,附帶功能才是過轉矩保護。當電動裝置的輸出轉矩達到轉矩限定機構的整定值時,轉矩限定機構動作,使電動裝置停止工作。因此,電動裝置所能輸出的轉矩值就是轉矩限制機構的整定轉矩值。利用轉矩限制機構可以整定電動裝置的不同輸出轉矩值,以適應不同閥門所需的操作轉矩。DZY5型閥門電動裝置經整定后的額定輸出轉矩為49 N·m、關向轉矩的調整范圍為9.8～34.3 N·m。

轉矩限制機構的力矩保護裝置主要用于關閉需要強制密封的閥門,可以準確控制閥門的關閉位置,確保閥門可靠關嚴而不產生泄漏。電動截止閥的關向大都采用力矩保護裝置;對開向既可采用行程控制,又可采用力矩保護裝置。另外,當電動閥門在操作過程中發現行程開關失靈或者由于閥門故障造成的過轉矩時,轉矩限制機構也會動作,以保護電動裝置和閥門。

DZY5型閥門電動裝置的轉矩限制機構采用滾珠離合器結構。滾珠離合器屬于牙嵌離合器式轉矩限制機構。

DZY5型閥門電動裝置轉矩限制機構動作原理如圖3所示。

圖3 DZY5型閥門電動裝置轉矩限制機構動作原理

DZY5型閥門電動裝置轉矩限制機構工作過程為:當轉矩超過某一整定值時,下半離合器螺旋齒輪負載增大使鋼珠沿牙嵌齒輪斜面滾動,驅動牙嵌齒輪上移觸動轉矩限制機構中的短臂板;轉矩杠桿傳遞機構觸動微動開關,使微動開關動作而切斷電源,從而實現轉矩的限制。

5 DZY5型閥門電動裝置的主要特性

5.1 電動機

電動機是電動閥門驅動力的來源。DZY5型閥門電動裝置的電動機型號為YDF-1124。該電動機的額定功率為120 W,轉速為1 400 rad/min。該電動機的啟動電流為1.95 A、正常運行電流為0.48 A(實測)。

5.2 轉矩特性

①電動裝置操作轉矩測試原理。

電動裝置操作轉矩測試原理如圖4所示。

圖4 電動裝置操作轉矩測試原理

控制器控制電動裝置進行開關操作,在電動裝置運行過程中不斷給它加入載荷。加入的載荷量通過轉矩傳感器反映到測量機構[4-6,12-13]。堵轉時的轉矩就是電動裝置的最大輸出轉矩。利用電動裝置配合轉矩傳感器可以直接測得電動裝置操作轉矩的特性曲線,從而準確得到電動裝置的最大操作轉矩[14]。

②輸出轉矩。

電動裝置的輸出轉矩由電動機通過傳動機構提供。電動裝置輸出轉矩的過程為:電動機→蝸桿→蝸輪→離合器→鍵→輸出軸。電動裝置所能提供的輸出轉矩,取決于電動機所能提供的最大轉矩和傳動機構的減速比與傳動效率。電動裝置為了適應不同閥門的要求,采用轉矩限制機構來限制電動裝置的輸出轉矩。為了保證閥門關嚴后能可靠開啟,必須使開閥的動作轉矩大于關閥的操作轉矩。

經測試,本文獲得了DZY5型閥門電動裝置的最大輸出轉矩(又稱“堵轉轉矩”)。其最大關向轉矩M關max為56.84 N·m、最大開向轉矩M開max為60.76 N·m。經轉矩限制機構整定后,電動裝置輸出的額定轉矩M額為49 N·m。關向轉矩的調整范圍,就是將轉矩微調按鈕作0～10改變時,關向轉矩的變化范圍。其值為9.8～34.3 N·m。

5.3 輸出推力

對于閥桿作直線運動而不旋轉的閥門,電動裝置傳動機構輸出的轉矩必須通過閥桿梯形螺紋的螺旋傳動轉換為操作閥桿推力。

(3)

式中:Mmax為電動裝置最大輸出轉矩,N·m;Fmax為電動裝置最大推力,N;d2為絲桿螺紋直徑,mm;λ為絲桿螺紋升角;ρ為閥門摩擦角,ρ=arctgf,f為摩擦系數,取f=0.15。

(4)

本文取Mmax=49、d2=18 mm、f=0.15、ρ=arctgf=arctg(0.15)=8.53°、tg(λ+ρ)=tg(4.046°+8.53°)=0.22 309,得到Fmax=24 404.7 N。

由此可見,對于49 N·m額定轉矩的電動裝置,配用φ20 mm×4 mm絲桿,能夠輸出約24 405 N推力。

5.4 手動-電動切換機構

DZY5型閥門電動裝置采用全手動切換機構,即電動裝置由電動操作切換為手動操作或由手動操作切換為電動操作都需要人工進行操作。手動操作機構采用1∶1傳動。

5.5 壽命試驗

壽命試驗是將電動裝置裝在1個實際閥門上,將DZY5型閥門電動裝置配用J41W-25R截止閥和閥門材質1Cr18Ni12Mo2Ti,使電動裝置在這一負載下以一定時間間隔輪流進行開閥和關閥的全程操作。試驗每分鐘進行開、關閥門各1次。經過1 200次試驗,未發現磨損現象。

5.6 DZY5型閥門電動裝置與進口電動閥的比較

本文將DZY5閥門電動裝置和進口電動閥(選1臺DN20 mm閥)一起進行測試[12-13],以比較兩者主要性能參數。

國產DZY5型閥門電動裝置與進口電動閥的性能對比如表1所示。

表1 國產DZY5型閥門電動裝置與進口電動閥的性能對比

測試時,DZY5型閥門電動裝置和進口電動閥均配用截止閥,均配備力矩保護機構和全手動操作手動/電動切換機構。

6 電動裝置配用截止閥的氣密性試驗

本文將DZY5型閥門電動裝置配用J41W-25R截止閥,以構成1套電動截止閥。本文對該電動截止閥進行了氣密性試驗。為了保證閥門密封,閥芯與閥座采用軟-硬結合,主要依靠軟材料變形來確保密封性。其中,軟材料采用聚四氟乙烯。

試驗將電動閥的閥門置于水槽中。只要水淹沒閥門即可,而不能讓水進入電動頭。給電動閥閥門進口加入壓縮空氣后,試驗人員觀察在一定氣壓下關閉閥門時的密封情況。假如閥門泄漏,則會有氣泡溢出。

氣密性試驗裝置工作原理如圖5所示。

圖5 氣密性試驗裝置工作原理示意圖

氣密性試驗過程如下。

①將試驗裝置按圖5方式連接,把電動閥置于水槽中,使水淹沒閥門。壓縮機運轉保證儲罐氣壓保持在0.35～0.4 MPa。經氣動定值器調壓后,該儲罐作為氣動閥氣密試驗的氣源。

②調節空氣定位器,使壓力表指示分別為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa。在每檔氣壓下保持3 h,以觀察密封情況。

試驗結果為:在電動閥閥門關閉情況下,分別將閥門進口氣壓調到0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa,在每檔氣壓下保持3 h,無氣泡溢出現象。該結果證明,DZY5型閥門電動裝置配用J41W-25R截止閥具有良好的密封性。

7 電動裝置配用截止閥的流通性試驗

本文對DZY5型閥門電動裝置配用J41W-25R截止閥構成的電動截止閥進行了流通性試驗。流通性試驗裝置工作原理如圖6所示。

圖6 流通性試驗裝置工作原理示意圖

試驗過程如下。

①準備工作。首先按圖6方式聯接各試驗設備和部件,同時啟動壓縮機,使壓縮空氣儲罐壓力保持在0.3 MPa左右,且各節門處于關閉狀態;然后向電動閥送電。開始送電時,電動閥的閥門處于關閉位置。

②打開水源節門,使高位水槽水位達到滿量程的三分之二至四分之三左右;放水完畢,將水源節門關死。

③打開串接在電動閥前后的2個節門,并關死旁通節門。打開電動閥到一定開度,并保持此開度。調節空氣定值器使壓力表指示不同壓力。在不同壓力下,測取并記錄出口流量。

④調節電動閥的不同開度,從全關到全開按25%開度遞增調節。每個開度測7～9組流量數據。

⑤注意事項。每次給水后必須關嚴水源節門,以防壓力損失。每次給水槽補水時,電動閥的開度不能變,否則會影響測量結果。

試驗結果為:由DZY5型閥門電動裝置配用J41W-25R閥門組成的電動截止閥流通性能良好;最小流量為0;最大流量在閥門全開、閥門進口水壓為0.065 MPa時為2.9 t/h。該結果表明,DZY5型閥門電動裝置配用J41W-25R截止閥組成的電動截止閥可以滿足某系列精細化學品生產裝置的操作要求。

8 閥門材質的選擇和耐腐蝕性試驗

原進口電動閥閥體材質為不銹鋼,經過5次中試運行考察,無嚴重腐蝕現象。國產的J41W-25R截止閥材質為1Cr18Ni9Ti不銹鋼,但當以水為介質作流通性、密封性試驗時,其產生明顯的腐蝕。而在某系列精細化學品生產中含有氯化氫、氟化氫和鹽酸等強腐蝕性工藝介質。顯然,1Cr18Ni9Ti不銹鋼不能滿足耐腐蝕要求。

本文從十幾種超低碳不銹鋼品種中,首先用鹽酸等介質初步篩選,然后選擇采用C4不銹鋼和115#不銹鋼在含有氯化氫、氟化氫和鹽酸等強腐蝕性工藝介質的精細化學品合成過程進行動態腐蝕試驗。

C4不銹鋼和115#不銹鋼腐蝕試驗結果如表2所示。

表2 C4不銹鋼和115#不銹鋼腐蝕試驗結果

①C4不銹鋼腐蝕試驗結果分析。

表2中,C4不銹鋼腐蝕試驗時間以動態試驗時間計算。試片在腐蝕環境中實際試驗時間為20 d。

試片經腐蝕試驗后,表面產生黑色的腐蝕膜。經堿洗、水洗后,黑色膜脫落,試片表面嚴重腐蝕,布滿了被腐蝕的凹點。腐蝕速率達到60.07 g/(m2·h)。試驗結果說明C4材質不耐工藝介質腐蝕。因此,C4不能作為閥體材料。

②115#不銹鋼腐蝕試驗結果分析。

表2中115#不銹鋼腐蝕試驗條件為:115#不銹鋼試片放在精細化學品合成反應器中做動態試驗,歷時25 d。動態試驗14次,每次140 min,試片以失重法處理。

試驗后,115#不銹鋼試片表面無腐蝕痕跡,保持了光澤;腐蝕速率為0.049 g/(m2·h),達到耐腐蝕等級。

9 結論

為了實現進口電動耐腐蝕截止閥的國產化替代,本文深入分析了截止閥的操作特性,計算并確定了電動截止閥在某系列精細化工生產裝置中使用時需要的閥門操作轉矩和電動裝置輸出轉矩,由此選定了符合輸出轉矩要求的國產DZY5型閥門電動裝置。本文說明了DZY5型閥門電動裝置行程和轉矩限制結構的工作原理,測試了DZY5型閥門電動裝置的主要特性。本文將DZY5型閥門電動裝置配用J41W-25R截止閥構成電動截止閥,并進行了氣密性和流通性試驗。本文選用C4不銹鋼和115#不銹鋼作為閥門材質進行了耐工藝介質的腐蝕性試驗。

經實際測試,國產的DZY5型閥門電動裝置與進口電動閥的電氣性能、機械性能比較接近。通過參數對比,兩者參數不盡相同。但應該指出的是,進口電動閥在某系列精細化學品生產中的使用是達到極限程度的。所以,經過以上理論分析和實際測試,可認為用DZY5型閥門電動裝置作為該系列精細化學品生產裝置重建工程的閥門驅動裝置是合適的,能夠滿足工藝操作要求。從結構上看,采用J41W-25R截止閥能夠滿足生產工藝的流通性能和密封性能。為了提高閥門的密封性,閥芯和閥座宜采用“軟-硬”結合。關于閥門材質,本文考慮選用115#不銹鋼。115#不銹鋼經過反應器動態試驗表現了良好的耐腐蝕性能。前期研究也做過電動裝置配用襯氟塑料閥門的可行性試驗[12]。特種不銹鋼閥門要比襯氟塑料閥門耐溫性強、可靠性高、密封性好,應予以優先選擇。