昌子達(dá) 黃偉 丁博

（大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠 湖北黃石 435005）

1 前言

某有色金屬冶金企業(yè)轉(zhuǎn)爐熱風(fēng)切斷閥是一種偏心式氣動(dòng)蝶閥，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是閥芯傳動(dòng)桿與蝶板偏心，且蝶板與閥座形成的密封副偏向閥出口側(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作快、密封和安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前，該熱風(fēng)切斷閥已超長(zhǎng)服役，在使用過程中，存在閥座泄漏量嚴(yán)重超標(biāo)、閥門卡死、氣動(dòng)附件老化、破損嚴(yán)重等問題，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到轉(zhuǎn)爐的安全生產(chǎn)。由于采購(gòu)新品價(jià)格很高，企業(yè)成本壓力很大，特別是采購(gòu)周期長(zhǎng)，所以對(duì)熱風(fēng)切斷閥進(jìn)行修復(fù)是很好的選擇。

2 熱風(fēng)切斷閥結(jié)構(gòu)原理及規(guī)格參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)原理

熱風(fēng)切斷閥主要包括雙氣缸氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和閥門本體系統(tǒng)兩部分組成，雙氣缸氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)如圖1所示。

閥門主要包括閥體、蝶板、軟密封件O型環(huán)、閥座、閥芯傳動(dòng)桿、填料、軸套、軸襯、定位器（或限位開關(guān)）和輔助裝置等零件［1］。閥座鑲嵌在閥體里，并通過填料進(jìn)行填充密封，閥座內(nèi)表面與偏心式蝶板形成金屬硬密封結(jié)構(gòu)；軟密封件O型環(huán)用于閥芯傳動(dòng)桿與閥體間的密封；閥芯傳動(dòng)桿和B軸由兩個(gè)安裝在閥體上的軸套支撐，并可以在軸套內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；閥芯傳動(dòng)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(dòng)桿扭矩傳遞給蝶板，完成閥口的調(diào)節(jié)［2］。閥體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 雙氣缸氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 熱風(fēng)切斷閥閥體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

氣動(dòng)系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)方向、速度和壓力等參數(shù)。

一定壓力流量的氣源作用在氣缸活塞端面上，通過傳動(dòng)桿和滑塊將活塞桿推力傳遞給撥叉作旋擺運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，由驅(qū)動(dòng)軸將力矩輸出給閥芯傳動(dòng)桿，進(jìn)而帶動(dòng)蝶板旋轉(zhuǎn)。當(dāng)活塞桿推力和彈簧彈力以及蝶板反力處于平衡時(shí)，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(diào)節(jié)蝶板開度和調(diào)節(jié)速度。

2.2 規(guī)格參數(shù)

熱風(fēng)切斷閥用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)爐熱風(fēng)供應(yīng)的流量大小，該閥口直徑為800mm，驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)，工作溫度為120℃，最大開合角度為90°，主要參數(shù)見表1所示。

表1 熱風(fēng)切斷閥主要參數(shù)表

3 熱風(fēng)切斷閥受力及故障分析

3.1 閥口流場(chǎng)分析

熱風(fēng)切斷閥主要用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)爐熱風(fēng)供應(yīng)量，熱風(fēng)中不可避免地含有雜質(zhì)，且溫度高，腐蝕及沖刷性較強(qiáng)。在閥調(diào)節(jié)流量時(shí)，熱風(fēng)會(huì)對(duì)閥座、閥體、蝶板和管道產(chǎn)生沖刷，造成閥座局部磨損以及蝶板表面產(chǎn)生局部劃痕及凹痕，進(jìn)而使蝶板與閥座間產(chǎn)生縫隙，導(dǎo)致了閥門泄漏量的增加，在實(shí)際工作過程中，閥座和蝶板是最容易受損的位置。

利用COMSOL數(shù)值仿真軟件對(duì)熱風(fēng)切斷閥閥板閥座流場(chǎng)進(jìn)行分析，找到閥座、蝶板主要受損區(qū)域，為閥門的損壞機(jī)理及修復(fù)方案提供決策依據(jù)［3］［4］。根據(jù)實(shí)際尺寸1：1進(jìn)行建模，設(shè)定入口風(fēng)速為1m／s，進(jìn)出口壓力差設(shè)為0.15MPa，流體設(shè)為空氣，開度為30°時(shí)的速度等值云圖如圖3所示。

圖3 熱風(fēng)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(dòng)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(fēng)對(duì)閥座和蝶板外圓周表面的沖擊主要集中在閥芯傳動(dòng)桿頂部附近的區(qū)域。

3.2 軸套受力分析

現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢發(fā)現(xiàn)，閥芯傳動(dòng)桿與導(dǎo)向軸套出現(xiàn)咬合，引起閥門卡阻，開閉困難。由于閥門長(zhǎng)期處于全開或全關(guān)位置，管道中的雜質(zhì)從蝶板頂部閥芯傳動(dòng)桿與軸套的間隙進(jìn)入軸套內(nèi)部，造成軸套與閥芯傳動(dòng)桿在閥門動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)磨損（兩者之間的間隙過?。Σ亮υ黾?，出現(xiàn)閥芯傳動(dòng)桿和軸套卡死的情況。

按照熱風(fēng)切斷閥的實(shí)際尺寸進(jìn)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(shè)定軸套的材質(zhì)為08A鋼，其最大屈服強(qiáng)度為195MPa，其物性參數(shù)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(shù)作為有限元邊界條件，按照?qǐng)D4進(jìn)行軸套受力建模與網(wǎng)格劃分，進(jìn)行軸套受力分析計(jì)算，得到軸套受力云圖如圖5所示。

圖4 軸套受力建模與網(wǎng)格劃分圖

圖5 軸套受力云圖

從圖5中可以看出：軸套應(yīng)力最大值為133.9MPa，較為接近其屈服強(qiáng)度195MPa，靜強(qiáng)度安全系數(shù)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(qiáng)度安全系數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。需要提高軸套材質(zhì)強(qiáng)度，以提高軸套耐磨性能，同時(shí)建議采用帶自潤(rùn)滑性能的材料。

3.3 氣動(dòng)系統(tǒng)故障分析

熱風(fēng)切斷閥在現(xiàn)場(chǎng)已連續(xù)使用了五年，氣動(dòng)系統(tǒng)存在氣缸內(nèi)漏，氣動(dòng)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(yán)重的情況。

通過分析，發(fā)現(xiàn)主要原因是以下幾個(gè)方面，即氣動(dòng)密封嚴(yán)重老化，失去密封功能；氣缸內(nèi)置平衡系統(tǒng)失效，動(dòng)作不同步，形成卡阻；氣動(dòng)附件日曬雨淋，由于廠區(qū)的酸雨環(huán)境，銹蝕嚴(yán)重；過濾器失效后，氣源中含有雜質(zhì)，如灰、塵、細(xì)砂等進(jìn)入氣缸和控制閥內(nèi)部，對(duì)氣缸和控制閥內(nèi)部造成了嚴(yán)重磨損，進(jìn)而加快了氣動(dòng)系統(tǒng)的損壞，造成了熱風(fēng)切斷閥頻繁故障，甚至動(dòng)作失效。

4 熱風(fēng)切斷閥修復(fù)措施

4.1 修復(fù)內(nèi)容

結(jié)合上述受力及故障分析結(jié)論，需要從4個(gè)方面對(duì)熱風(fēng)切斷閥進(jìn)行修復(fù)：（1）恢復(fù)并提高閥板的精度；（2）更換閥座，改進(jìn)閥座材質(zhì)，提高閥座耐磨性能；（3）閥桿A、B軸和軸套換新，并改進(jìn)軸套材質(zhì)（提高強(qiáng)度和自潤(rùn)滑性能）；減小閥門開啟和關(guān)閉時(shí)的卡阻力；（4）修復(fù)氣動(dòng)系統(tǒng)，更換氣動(dòng)附件，提高閥動(dòng)作的可靠性。

4.2 修復(fù)措施

針對(duì)上述修復(fù)內(nèi)容，具體修復(fù)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(shù)控銑床上進(jìn)行精加工，閥板鍍硬鉻，專用機(jī)床拋光，恢復(fù)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(yán)重磨損，局部存在缺口，無法修復(fù)，需整體更換閥座，選用材質(zhì)為改進(jìn)型碳纖維強(qiáng)化聚四氟乙烯，人工研磨，從而恢復(fù)并提高閥門的密封精度；

③軸套位于閥體內(nèi)部，由于軸套與閥芯傳動(dòng)桿完全咬合無法取出，采用氧氣割掉閥芯傳動(dòng)桿，并使用鏜床將閥體中剩余的傳動(dòng)桿和軸套銑掉；重新采用630系列不銹鋼制作閥芯傳動(dòng)桿和B軸；軸套采用CU／復(fù)合材料，其屈服強(qiáng)度為295MPa，計(jì)算靜強(qiáng)度安全系數(shù)提高到2.2，軸套經(jīng)過低溫滲流處理后，有較強(qiáng)的自潤(rùn)滑功能，改進(jìn)后的軸和軸套的組合，提高了強(qiáng)度，改進(jìn)了潤(rùn)滑，從而可有效減小軸套與閥芯傳動(dòng)桿、B軸間的磨損，延長(zhǎng)閥門使用壽命。

④清理檢查氣缸全套密封圈和內(nèi)置氣動(dòng)附件，確保氣缸的整體密閉性；更換一個(gè)高效過濾減壓閥，濾除氣動(dòng)系統(tǒng)氣源中的水和雜質(zhì)，提高氣動(dòng)系統(tǒng)的可靠性；更換破損的電磁換向閥和氣控閥，恢復(fù)氣動(dòng)系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)功能；更換氣動(dòng)系統(tǒng)中銹蝕的管路，并進(jìn)行刷漆防銹處理。

采用上述措施，熱風(fēng)切斷閥修復(fù)質(zhì)量大幅提升，整個(gè)切斷閥煥然一新。整機(jī)組裝調(diào)試后，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐壓和泄漏量檢測(cè)，修復(fù)后的熱風(fēng)切斷閥達(dá)到并超過新品出廠設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4.3 后期使用建議

避免閥門長(zhǎng)期處于固定工作位置，定期將閥門進(jìn)行全開和全閉的動(dòng)作檢查，觀察閥門動(dòng)作是否順暢。定期對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)檢，確保氣動(dòng)元件正常運(yùn)行。閥門使用周期達(dá)到1.5年（最長(zhǎng)不要超過2年）后，需要下線進(jìn)行拆解維護(hù)，主要檢查閥門的動(dòng)作及密閉情況，更換填料、閥座、軸套和一些密封件。

5 結(jié)論

在研究某有色金屬冶金企業(yè)轉(zhuǎn)爐熱風(fēng)切斷閥故障和結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件對(duì)閥門進(jìn)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(fù)方案。該方案修復(fù)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(chǎn)的順利進(jìn)行。此外，單臺(tái)修復(fù)成本僅7萬元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單臺(tái)采購(gòu)成本28萬元，該冶金企業(yè)共有12臺(tái)同規(guī)格熱風(fēng)切斷閥，采用以修代換，可節(jié)約資金252多萬元，大大降低了企業(yè)設(shè)備運(yùn)行成本。并且有計(jì)劃的對(duì)在線使用的重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行修復(fù)，利用定修時(shí)間進(jìn)行逐步更換，可以減少轉(zhuǎn)爐停機(jī)時(shí)間，為企業(yè)節(jié)約可觀的時(shí)間和財(cái)務(wù)成本，也提高了企業(yè)設(shè)備運(yùn)行管理和維修的技術(shù)水平，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。