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切換閥的開關(guān)是由通過電磁閥來的信號(hào)壓縮空氣控制的。根據(jù)在流程中起的作用不同,有空氣、污氮切換閥,純氮抑制閥、污氮三通閥等。從結(jié)構(gòu)型式分,有立式和臥式兩種。立式切換閥又可以分為氣開式和氣閉式兩種。氣開式是指信號(hào)壓縮空氣斷氣時(shí),閥瓣依靠自重能自動(dòng)打開;反之為氣閉式。氣開、氣閉的選擇由裝置的安全性確定。氮?dú)馇袚Q閥用氣開式,空氣切換閥用氣閉式。

由于切換閥的動(dòng)作是由電磁閥來控制的,除了注意選擇氣開、氣閉式,以防止氣源故障帶來危害之外,還應(yīng)注意電磁閥狀態(tài)與切換閥狀態(tài)的配合,以使電源發(fā)生故障時(shí)不致危及設(shè)備安全�，F(xiàn)分別說明如下:

1、污氮切換閥。當(dāng)四通電磁閥有電時(shí),切換閥關(guān)閉。失電時(shí),切換閥開。而且當(dāng)電源失電時(shí),氣源失壓時(shí),也能借自重打開。從而保證了出現(xiàn)故障時(shí),上塔氣體能通過蓄冷器放空,不致造成超壓。

2、空氣切換閥。當(dāng)四通電磁閥有電時(shí),切換閥打開。失電時(shí),切換閥關(guān)閉。當(dāng)控制電源故障失電時(shí),切換閥關(guān)閉;當(dāng)控制氣源故障失壓時(shí),切換閥借自重關(guān)閉,保證出現(xiàn)故障時(shí)原料空氣不進(jìn)入空分塔。

3、污氮(純氮)三通切換閥。四通電磁閥有電,三通切換閥處于排送位置;四通電磁閥失電,三通切換閥處于放空位置。當(dāng)電源故障失電時(shí),三通切換閥處于放空位置;當(dāng)氣源故障失壓時(shí),三通切換閥能借自重處于放空位置。

國內(nèi)空分設(shè)備規(guī)模不斷大型化,對(duì)配套的分子篩純化系統(tǒng)切換閥門提出了新的技術(shù)要求,除了要求切換閥門密封性能好、運(yùn)行可靠性高外,提出了需長周期運(yùn)行免維護(hù)、防止分子篩沖床的一系列要求。由于受結(jié)構(gòu)影響,單偏心蝶閥要定期更換易損件、三偏心蝶閥不能很好地進(jìn)行最大壓差控制,使得兩者用于大型空分設(shè)備尤其40000 m/h等級(jí)以上空分設(shè)備時(shí)受到一定的限制。三桿式切換閥(簡(jiǎn)稱:三桿閥)作為一種新型的切換蝶閥,采用四連桿結(jié)構(gòu)原理,使其在背壓作用下具有良好的密封性能,并有可靠性較高和使用壽命較長的特點(diǎn)。最主要的是三桿閥可以很好地限制最大開啟壓差,有效防止分子篩沖床。三桿閥具有的特點(diǎn)使其廣泛用于大型空分設(shè)備的分子篩純化系統(tǒng)中。國內(nèi)大型空分設(shè)備使用的三桿閥,大多還依賴進(jìn)口。但進(jìn)口閥門交貨期長、價(jià)格偏高、成套成本較高。國內(nèi)空分設(shè)備閥門的專業(yè)生產(chǎn)廠家對(duì)三桿閥進(jìn)行了研制,產(chǎn)品已在40000 m/h 空分設(shè)備上投用,效果良好。

工作原理

三桿閥是利用四連桿結(jié)構(gòu)原理實(shí)現(xiàn)閥板的啟閉。閥門分為主閥部分與驅(qū)動(dòng)裝置部分。主閥部分主要由閥桿、主動(dòng)桿、從動(dòng)桿、固定桿和閥板組成。由閥門的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)閥桿及主動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)驅(qū)動(dòng)由主動(dòng)桿、從動(dòng)桿和閥板組成的連桿機(jī)構(gòu)(如圖1所示)運(yùn)動(dòng),使閥板實(shí)現(xiàn)啟閉動(dòng)作和可靠的密封。在閥門開啟初始,閥板先是平移運(yùn)動(dòng),在達(dá)到一定距離后開始翻轉(zhuǎn),完成閥板由垂直位置到平行管道中心位置的開啟動(dòng)作(如圖2所示),關(guān)閉過程正好相反。

結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

一、三桿閥的優(yōu)點(diǎn)

三桿閥與其他類型蝶閥相比有三個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)。

①三桿閥可實(shí)現(xiàn)最大開啟壓差保護(hù),即在低于設(shè)定壓差下閥門才可以開啟,可以有效防止在分子篩吸附器切換操作失誤時(shí)閥門前后壓差過大,瞬時(shí)大氣流沖擊分子篩床層的危害發(fā)生。三桿閥工作時(shí),介質(zhì)由閥板背面流向正面,即閥板受背壓。開啟時(shí)閥板與閥體無相對(duì)摩擦,作用力矩主要是克服介質(zhì)在閥板上的作用力和傳動(dòng)部分的摩擦力。前者占主要,背壓越大,所需執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩越大,通過設(shè)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力臂及輸入氣源,可以設(shè)定最大開啟壓差,從而保證超過設(shè)定壓差時(shí),閥門不能打開,避免在較大壓差下發(fā)生分子篩沖床事故。而普通蝶閥中,閥板與閥體之間往往有相對(duì)摩擦,其啟閉力矩除了閥桿部分的摩擦力矩外,密封面的摩擦力矩會(huì)較大;而且摩擦力矩的大小難以正確地計(jì)算,如果根據(jù)前面設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩方式來設(shè)定最大開啟壓差,無論在理論上還是實(shí)際的應(yīng)用中都較難實(shí)現(xiàn),因此普通蝶閥無法靠閥門自身控制最大開啟壓差。

②閥板與閥體密封面無摩擦,使用壽命長,適用于要經(jīng)常啟閉的場(chǎng)合;并且可以工作在較大的溫度范圍(-40+450℃)。三桿閥開啟瞬間先做平移運(yùn)動(dòng),關(guān)閉瞬間是平移靠向閥體密封面,啟閉過程中閥板密封面與閥體密封面無任何摩擦,密封面采用硬面密封或石墨密封圈密封。因此,三桿閥運(yùn)行壽命長,可以有效地減少因檢修而從管道上拆下閥門的幾率。而普通蝶閥由于閥瓣與閥座之間是一對(duì)摩擦副,必然存在磨損,需要定期從管道上拆下后更換密封副。

③三桿閥具有自清潔特點(diǎn)。三桿閥密封面所在的平面垂直于閥體中心線,小顆粒雜質(zhì)會(huì)被氣流吹走,不會(huì)滯留在密封面上; 而且閥板在開啟過程是先平移運(yùn)動(dòng),不會(huì)將垃圾擠壓到密封面中。

與普通蝶閥相比的不足之處在于:由于三桿閥傳動(dòng)部分相對(duì)復(fù)雜,會(huì)占據(jù)一定的閥體流道;而且三桿閥采用平面密封,這在一定程度上也減小了閥體流通面積。這些都會(huì)使得其流通能力比同口徑的普通蝶閥小,閥門流動(dòng)系數(shù)CV值會(huì)小一些。所以,為了保證閥門的流通能力不變,在選擇時(shí)往往會(huì)考慮口徑大一檔的閥門,這樣會(huì)增加投資成本。另外,三桿閥的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,體積也較大,適合用在DN600 mm以上的場(chǎng)合。

二、三桿閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

國內(nèi)外廣泛使用的三桿閥的基本結(jié)構(gòu)有長桿型和短桿型兩種。兩種結(jié)構(gòu)閥門的運(yùn)動(dòng)軌跡基本相同,但因結(jié)構(gòu)形式不同,具體的性能特點(diǎn)有所不同。兩種三桿閥的基本結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

①兩種結(jié)構(gòu)三桿閥的最大不同點(diǎn)在于傳動(dòng)軸與閥板中心線的距離即中心距不同。正是由于中心距不同, 導(dǎo)致了閥門的最小驅(qū)動(dòng)力矩不同。

②從閥門的結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出,短桿三桿閥的傳動(dòng)軸位于流道內(nèi),而長桿三桿閥的傳動(dòng)軸位于流道外,只有連接板位于通道內(nèi),所以,短桿三桿閥的流通能力小于長桿三桿閥的流通能力。長桿三桿閥的傳動(dòng)軸位于流通管道之外,可以有效地避免介質(zhì)的沖刷和溫度影響,所以,長桿三桿閥較能適應(yīng)更高的介質(zhì)溫度。從實(shí)際的使用過程中可以發(fā)現(xiàn),閥門由關(guān)閉狀態(tài)到全開狀態(tài),長桿三桿閥轉(zhuǎn)過的角度小于短桿三桿閥轉(zhuǎn)過的角度,所以,長桿三桿閥的啟閉時(shí)間少于短桿三桿閥的啟閉時(shí)間。

主要特點(diǎn)

①杭氧工裝研制的三桿閥采用長桿式四連桿機(jī)構(gòu),主閥桿位于管道通徑之外,避免了閥門開啟時(shí)介質(zhì)對(duì)主閥桿的直接沖刷,既增大了閥門的流通能力,同時(shí)可以防止介質(zhì)中的不潔凈物質(zhì)黏在轉(zhuǎn)軸上,延長了閥門的使用壽命,并能適應(yīng)各種惡劣工況;而且這種結(jié)構(gòu)保證了主閥桿只需轉(zhuǎn)動(dòng)更小的角度就能使閥門全開,縮短了閥門的啟閉時(shí)間;同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)部分氣缸力臂進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)最大開啟壓差保護(hù)。

②采用軟密封結(jié)構(gòu):閥座采用石墨碳素纖維盤根、閥板密封面采用堆焊不銹鋼材料。使用石墨碳素纖維盤根材料,可以滿足分子篩再生溫度達(dá)到290℃時(shí)的使用要求,密封性能達(dá)到Ⅵ級(jí);而普通蝶閥在溫度高于250℃時(shí),無法達(dá)到Ⅵ級(jí)密封。

③閥門內(nèi)部傳動(dòng)連桿均采用不銹鋼材質(zhì),可以有效防止傳動(dòng)件生銹腐蝕,大大延長了閥門的使用壽命。

④閥門內(nèi)部的傳動(dòng)部分軸承都采用具有自潤滑功能的DU軸承,不需添加任何油脂,可避免因閥門加入潤滑油、潤滑脂而造成后續(xù)空分流程中油脂的污染。

⑤流通能力盡可能放大,如國外某公司生產(chǎn)的DN700 mm和DN800 mm閥門的通徑分別為625 mm 和715 mm,杭氧工裝研制的DN700 mm和DN800 mm閥門的通徑分別為630 mm和730 mm,盡可能增加了閥門的流通能力。

⑥閥門結(jié)構(gòu)長度加長,該結(jié)構(gòu)能保證在閥門開啟時(shí)閥板都在閥門內(nèi)部,不會(huì)進(jìn)入到管道中,避免因?yàn)楣艿腊惭b偏心,使閥板運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與管道發(fā)生卡阻,保證閥門啟閉過程更為平穩(wěn)。

原理及故障

切換閥由氣體過濾器、電磁閥、三通閥組成。如圖5所示。當(dāng)時(shí)間繼電器給出一個(gè)信號(hào),電磁閥2通電時(shí),少量壓縮空氣經(jīng)過濾器、電磁閥進(jìn)入三通閥氣缸B腔內(nèi),在導(dǎo)向活塞兩端壓差作用下,導(dǎo)向閥盤向右移動(dòng),5-6閥盤壓死了壓縮空氣(正流)進(jìn)板式蓄冷器通道A→D。塔內(nèi)返流氣體(廢氮或廢氧)經(jīng)D→C排出塔外。當(dāng)時(shí)間繼電器給出另一個(gè)信號(hào)時(shí),電磁閥斷電,切斷少量壓縮空氣進(jìn)入三通閥的通道,同時(shí)氣缸B腔內(nèi)的氣體從電磁閥另一通道排入大氣,此時(shí)正流空氣在導(dǎo)向活塞右端壓力差作用下,迫使導(dǎo)向閥盤向左移動(dòng),7-8閥盤切斷了D→C通道,使返流氣體不能排出,于是正流空氣經(jīng)A→D通道進(jìn)入板式蓄冷器。如果時(shí)間繼電器再有相反的信號(hào)給電磁閥時(shí),導(dǎo)向閥盤又回到第一次工作的位置(即正流氣體不能進(jìn)板式蓄冷器,返流氣體排出塔外)。如此兩只切換閥循環(huán)不斷地配合工作,達(dá)到正流氣體與返流氣體在板式蓄冷器內(nèi)流通互換以連續(xù)清除進(jìn)塔空氣中的水分及二氧化碳之目的。切換時(shí)間一般控制在2-3分鐘。

如果切換閥卡死,即三通閥A→D通道與D→C通道不能切換(三通閥導(dǎo)向閥盤卡在左、右極端)或A→D通道與D→C通道互通(三通閥導(dǎo)向閥盤卡在中間任一位置,5-6、7-8兩閥盤均無關(guān)死通道,此現(xiàn)象為最常見),使板式蓄冷器不能正常工作,工況將被破壞。

在工廠試車和部隊(duì)使用中,經(jīng)常發(fā)生切換閥卡死故障,有時(shí)一次制氧中卡死的次數(shù)高達(dá)10-15次,嚴(yán)重影響了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

卡死原因

1、氣缸和的同軸度超前而卡死。此故障除了加工質(zhì)量問題外,主要是總裝中三通閥閥體變形引起的。原三通閥A、D、C三個(gè)通道均與直徑55 mm×2 mm的黃銅管通過法蘭盤聯(lián)接,這些管子在彎曲成形和焊接中尺寸誤差較大,強(qiáng)迫裝配的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,從而導(dǎo)致閥體變形。

2、橡膠密封圈過期老化變形或磨損而卡死;或停放時(shí)間過長,局部銹蝕或氣缸B腔放氣通路(主要是電氣閥通氣口)被外來物堵塞。

3、導(dǎo)向活塞上的密封槽偏淺,而配裝的橡膠密封圈又往往偏粗,使密封圈壓縮量過多造成摩擦力過大,活塞容易被卡住。

4、導(dǎo)向閥盤在左、右快速切換運(yùn)動(dòng)中,閥盤撞擊力大,輔助活塞因?yàn)槭?軟聯(lián)接"(閥片7與輔助活塞9之間,夾裝有密封墊圈8),導(dǎo)向活塞在運(yùn)動(dòng)中,固定螺母10經(jīng)常松動(dòng),致使導(dǎo)向活塞傾斜而卡住;另外,安裝輔助活塞閥片處活塞桿的軸肩太小(圖樣上只有1 mm,而因加工R的存在,實(shí)際軸肩還小于此尺寸,這樣就很難保證輔助活塞與活塞桿軸線垂直,而使活塞卡住。這一設(shè)計(jì)缺陷是造成活塞卡住的主要原因之一。

5、導(dǎo)向活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)推力偏小,當(dāng)密封圈發(fā)膩及氣缸內(nèi)有垃圾(如橡膠圈磨損掉下的橡膠末等),活塞就很易卡住。

改進(jìn)措施

1、減小三通閥閥體變形。1982年起三通閥閥體壁厚加大,以增加強(qiáng)度。1997年將三通閥的全部通道硬聯(lián)接改為D、C通道硬聯(lián)接,A通道加接波紋管過渡,從而大大減小了閥體的變形,較有效地防止了三通閥在工作前期卡死故障的發(fā)生。

2、從1998年下半年開始,將部分改變?nèi)�通閥導(dǎo)向閥盤的設(shè)計(jì)。減小導(dǎo)向閥盤的運(yùn)動(dòng)阻力。將導(dǎo)向閥盤密封增加深0.15 mm,以改變密封圈的裝配壓縮量,在不影響氣密性的前提下,使活塞運(yùn)動(dòng)阻力下降。

3、改輔助活塞"軟聯(lián)接"為"硬聯(lián)接",避免活塞松動(dòng)傾斜。適當(dāng)加大活塞桿的尺寸,由原直徑12 mm改為直徑13.4 mm從而增大了軸肩;輔助活塞由內(nèi)凹型改為中凸型,使輔助活塞與閥片直接聯(lián)接。這樣既較好地保證了閥片、活塞端面與活塞桿軸線的垂直度,又使固定螺母不易松動(dòng)。在用設(shè)備可在閥片與輔助活塞之間加一兩端面互相平行,外徑為20 mm、內(nèi)孔為10 mm、厚為3 mm的黃銅墊圈,并將密封墊圈內(nèi)孔擴(kuò)至20mm,按原序裝配即成。