高溫蝶閥的結構設計
1 概述
蝶閥以其開關速度快，制造成本低，占用安裝空間小的特點得到廣泛的應用。但是，蝶閥受其結構的影響，在高溫工況下，特別是在650℃以上的高溫工況下，材料受熱膨脹，在開啟或關閉時，容易卡住。本文探討一種適用于650℃以上高溫工況下的新型五桿式偏擺連桿蝶閥。
2 結構設計
在煉油廠催化裝置的煙機入口處，工作溫度為780℃，短時為850℃，工作介質為含有顆粒狀催化劑的高溫石油氣。由于該處的介質溫度高且含有固體顆粒，故用普通的雙偏心或三偏心硬密封蝶閥，在高溫時由于熱膨脹原因，容易將蝶板卡住，無法開啟。根據實際工況，設計了新型五桿式偏擺連桿結構的蝶閥。該閥驅動桿通過軸套和鍵與閥桿組裝成一體，隨閥桿的轉動而擺動。套桿和調節桿通過軸套固為一體或是直接制成一個整體，并空套在閥桿外圓上。邊桿通過銷軸與固定桿和套桿鉸接。當閥桿在驅動裝置的帶動下進行旋轉，驅動桿和套桿繞閥桿中心線旋轉。由于驅動桿、套桿和邊桿的聯合動作，再帶動固定桿動作，使蝶板的密封面先平移地脫離閥體的密封面（其平移過程密封面沒有摩擦），后發生旋轉，使閥門由關閉狀態到開啟狀態（圖2）。
3 性能及特點
1）采用五桿式偏擺連桿結構，能夠防止由于溫度升高而使蝶板密封面徑向尺寸受熱脹大，從而發生蝶板與閥體之間出現卡塞現象。有效地解決了蝶閥的高溫熱膨脹咬合問題。
2）為了提高閥桿內件的高溫強度，閥門的閥桿、連桿、銷、鍵和螺栓等均選用高溫合金鋼。閥體和蝶板選用CF10M（ZG1Cr17Ni14Mo2），該材質可耐溫816℃，鑄造及焊接工藝性均良好，且價格適中。閥體和蝶板的密封面均堆焊鈷鉻鎢硬質合金，加工后焊層厚度≥1.6mm，可保證在高溫下密封面有一定硬度而不會受損。
3）閥桿和導套之間在高溫下要進行旋轉運動，一般奧氏體不銹鋼和合金鋼在780℃時表面硬度≤140HB，這個硬度在受力情況下相互摩擦極易咬傷，所以閥桿和導套的相互摩擦部位，均堆焊STL硬質合金。在780℃時，STL硬度約38HRC，防止了閥桿動作的卡塞現象。
4）在上、下閥桿導套內設計了吹掃孔。氮氣或蒸汽從吹掃口進入閥桿和導套配合間隙處，防止固體催化劑微粒進入閥桿與閥體的縫隙內。
5）密封面之間沒有摩擦，高溫下密封效果好，使用壽命長。
4 設計計算
閥體壁厚SB按第一強度理論計算。
式中SB———考慮腐蝕裕量后閥體最小壁厚，mm
D———閥體中腔最大內徑，根據結構需要選定，mm
p———最高使用壓力，按壓力溫度等級選取，MPa
[σL]———材料的許用拉應力，MPa
C———考慮鑄造、焊接偏差、工藝性和介質腐蝕等因素而附加的裕量，mm
驅動扭矩MZ為MZ=M1+MZC+MT+M2
式中MZ———閥門開啟時的驅動力矩，N·m
M1———閥門開啟介質力矩，N·m
P———閥門開啟時蝶板兩側的壓力差，MPa
L———傳動軸與蝶板中心線的距離，m
D1———密封面的直徑，mm
MZC———閥桿與軸套間產生的摩擦力矩，N·mm
fZ———軸承摩擦系數（fZ=0.05～0.1）
dQJ———與軸套配合的軸徑，設計給定，mm
MT———填料的摩擦力矩，N·m
QT———閥桿與填料的摩擦力，N
QT=ΨdFbTp
dF———閥桿直徑，mm
M2———各鉸軸間的摩擦力矩，N·m
因M2在總力矩中所占比例很小，可以忽略。
5 結語
五桿式偏擺連桿結構蝶閥解決了蝶閥在高溫狀況下出現的因熱脹而卡死的現象。有效地解決了蝶閥在高溫下的密封問題。隨著新材料、新工藝和新結構不斷發展，該閥將在冶金、石化等行業的高溫管道上發揮其更大的作用。