开关蝶阀在MBR工艺中的高频应用及研究

孙治祥

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

开关蝶阀在MBR工艺中的高频应用及研究

孙治祥

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

针对MBR工艺装置对开关蝶阀的高频应用要求，以及在实际应用中发生的问题，分析比较了国内外高频开关蝶阀的应用情况及效果，对开关蝶阀的阀体、执行机构和配套附件三个组成部分在应对高频工况中所起到的作用进行了详细分析和论述，并提出了适应MBR工艺对高频开关蝶阀技术要求合理可行的调整和配置方案。

高频；开关蝶阀；衬胶蝶阀；双偏心蝶阀；扇形执行机构

随着国家对水资源保护和节能环保的重视，工业污水处理领域中污水回用技术正在大力推广应用。尤其是在污水深度处理方面，技术先进的膜生物反应器（MBR）工艺技术也愈来愈多地应用到污水处理中[1]。在MBR工艺过程中，中空纤维膜组件是一个核心关键设备，特别是高性能的进口膜，价格相当昂贵。为保证膜的使用寿命及性能，采用自动程序控制方式控制曝气冲刷系统[2]，利用气动开关蝶阀定时频繁切换来控制低压、常温空气的流量对膜表面进行冲刷，以确保膜的使用性能及寿命。这些动作频率高的开关蝶阀，在实际生产过程中常常使用不久就出现各种故障，需要进行在线维护或更换，不仅对正常生产带来较大影响，而且后期维护成本也较高。

本文针对以上现象，对阀门的各组成部分结构和原理进行详细分析，找出发生问题的多方面原因。并通过优化选型和配置，彻底解决采用普通开关蝶阀所产生的故障现象。

1 工艺特点和技术要求

MBR工艺的污水深度处理装置膜分离池，流经曝气冲刷系统气动开关蝶阀的介质为低压、常温空气，但要求阀门每15 s切换一次，其中开、关时间均不大于3 s，在全年装置运行时间内大概需要动作200万次左右，并要求确保阀门至少一年无检修。以上工艺特点要求开关蝶阀高频切换、快速响应、长周期运行，对开关蝶阀的密封性能、使用寿命、可靠性提出了非常严苛的要求。

根据MBR工艺特点对曝气冲刷系统气动开关蝶阀提出的要求归纳为：开关频率高、速度快、密封性能好、使用寿命长。该气动开关蝶阀主要由以下几部分组成：阀体、气动执行机构、阀门附件（电磁阀、回讯开关、过滤减压阀等），如图1所示。

图1 气动开关蝶阀Fig.1 Pneumatic butter fl y on-off valve

国内MBR工艺污水深度处理装置中，高频应用场合的开关蝶阀配置和应用情况分析见表1。

2 阀体结构及材料的分析与选择

由于MBR工艺中被控介质为低压常温空气，我们首先选择了软密封蝶阀，软密封适用于低压、常温，且非常经济。软密封副摩擦扭矩相比金属硬密封小很多，只要配置较小的气动执行机构即可驱动，且仪表气容量较小，便于快速动作。但对于高频应用场合，软密封蝶阀需要解决的关键是密封性能的使用寿命。软密封蝶阀最常见的是中线对称的衬胶蝶阀[3]，见图2。其次是高性能的双偏芯蝶阀，见图3。

表1 MBR工艺中曝气冲刷系统普通开关蝶阀配置和应用情况分析Tab.1 The con fi guration and application analysis for the on-off valve in the aeration scouring system of MBR process

图2 衬胶蝶阀Fig.2 Rubber lining butter fl y valve

图3 双偏心蝶阀Fig.3 Double eccentric butter fl y valve

中线对称衬胶蝶阀和双偏心软密封蝶阀的使用寿命和可靠性，分析如下：

（1）中线对称衬胶蝶阀的阀座（密封环）是高性能橡胶，作为高性能密封的橡胶弹性越好，则密封越好，但弹性越好的橡胶一般耐磨性能较差，无法保证长寿命使用，因此中线对称衬胶蝶阀的阀座，无法兼顾弹性和耐磨性。而双偏芯软密封蝶阀的阀座（见图4）将阀座的弹性功能和密封功能分解为密封环和垫环两个元件，考虑到长寿命要求，作为密封功能的密封环材质由原先聚四氟乙烯改为采用高强度、高耐磨的添加15 %碳纤维和5 %二硫化钼的强化聚四氟乙烯，满足MBR工艺工况。作为弹性功能的垫环为316SS弹簧，足够的弹簧初始压力提供密封环对阀板足够的面压，同时，流体压力的方向也有利于密封环张开的方向，提供可靠密封更大的面压，完全可以做到严密切断，满足密封性好的技术要求。

图4 双偏心蝶阀的阀座Fig.4 The seat of double eccentric butter fl y valve

（2）中线对称衬胶蝶阀由于阀体、阀板是同芯的，阀板在启闭过程中和阀座完全接触，如果高频动作，阀板对阀座的磨损非常大，而双偏芯蝶阀的密封面（见图5）中心和回转中心有一个偏芯，轴的回转中心和阀板密封面中心又有第二个偏芯，阀板和阀座只在全关位置才接触，避免了99 %的阀板对阀座的磨损，大大提高了阀座的使用寿命，满足了200万次以上的开关寿命。

通过以上分析，可见双偏心软密封蝶阀比中线对称衬胶蝶阀更适应于MBR工艺曝气冲刷系统的工况应用。此外，针对不锈钢阀杆材料的使用寿命、耐磨性不够，在长时间高频开关操作工况下，易造成上述材料使用寿命缩短、损坏的现象，首先考虑将双偏芯蝶阀的轴（阀杆）导向（轴承）材料改选为NITRONIC 60，这种高镍基合金材料除了有较好的耐磨性，还有很好的润滑性，同时机械切削性能卓越，可以加工出高精度的表面，因而阀杆的摩擦力非常小，有利于高速、频繁动作；其次考虑将阀板和阀杆之间通过圆柱销固定并密封焊接，确保高频工况下的可靠传动。

图5 双偏心蝶阀的密封面Fig.5 The sealing surfaceofdouble eccentric butter fl y valve

3 气动执行机构结构分析与选择

开关蝶阀阀体部分的高频、密封、可靠、长寿命动作问题解决后，合理配置与之匹配的气动驱动装置是必不可少的。常用的气动驱动装置有齿轮齿条式执行机构和拨叉式执行机构[4]，应用分析如下：

（1）齿轮齿条执行机构，见图6。齿轮齿条一般都是压铸的铝合金，不再精加工，传动精度和动作寿命有限，同时内部传动构件全部在驱动气室中，仪表气容量大，不利于高速动作，再有执行机构气源管预埋在气缸中，气源管径较小，国内无法特殊制造，很难达到更高的动作速度，不适合长期的高频动作运行。

图6 齿轮齿条执行机构Fig.6 Rack and pinion actuator

（2）拨叉式执行机构，见图7。其曲柄、滑块和活塞杆等传动构件和气室是分开的，气缸容量较小，容易实现快速动作，气源接口可以根据动作速度要求设计、制造得较大，从而接入较大的仪表气配管、实现快速动作，缺点是扭矩传动部分构件在高频动作下磨损严重，需选用特殊材料加工才能保证长期使用，国内生产的拨叉式执行机构产品目前还无法做到。

图7 拨叉式执行机构Fig.7 Scotch yoke actuator

很显然上述两种执行机构都难以满足MBR工艺中高频开关蝶阀，使用频率非常高，且开关时间短的特性要求。因此，需要考虑选用一种新型执行机构，以满足工艺装置要求。国外生产的扇形双作用执行机构，见图8。因为该扇形活塞和输出轴直连，中间没有扭矩转换机构，不存在扭矩转换机构的磨损，使用寿命最长可达300万次，也不像齿轮齿条执行机构传动部件使得无用的气室增大，扇形执行机构和拨叉执行机构一样气室相对较小，容易实现快速动作。

图8 扇形双作用执行机构Fig.8 Vane double action actuator

阀门双作用执行机构全行程动作时间t按式（1）计算。

式中Vc——双作用执行机构气室容量， L；

Cv—— 气动回路（过滤减压阀、电磁阀、配管等）最小流通能力，L/s。

0.6为双动作时间计算系数。

φ8×1的空气配管Cv= 1.0 L，选用1/4″低功率电磁阀，Cv= 0.73 L/s。

以ANSI 150 lb（1 lb≈0.45 kg）DN 200蝶阀为例，某扭矩下阀门采用不同执行机构气室容量的动作时间及特点见表2。

表2 不同执行机构的动作时间及特点Tab.2 Action time and speci fi cation forthe different actuator

从表2中可以得出扇形执行机构和拨叉式执行机构均能满足动作时间要求，但扇形执行机构更适合高频、快速阀门动作。

4 附件配置分析与选择

虽然高性能的双偏芯蝶阀和扇形执行机构组合成一台完美的高频、可靠、长寿命的高频开关蝶阀，但阀门信号控制部分的可靠性还取决于电磁阀和限位开关性能和寿命。在实际应用中电磁阀和限位开关这些附件的配置也是至关重要的。因此，需选用高性能、高质量、低功耗型电磁阀（功率≤4 W）[5]，较小的功率即使频繁励磁，电磁阀也不会因线圈过热而损坏；限位开关选择接近式，由于非机械接触式，故障率很低，使用寿命很长。

5 结束语

通过上述对高频开关蝶阀的结构、材料、执行机构及配件等全面分析，得知MBR工艺中要求高频动作的蝶阀，除对阀门密封结构形式、密封环与阀杆材质有特殊要求外，配置性能优良的扇形双作用执行机构，对电磁阀、限位开关等进行合理选型，才能满足MBR工艺对高频开关蝶阀的技术要求。采用双偏心蝶阀+扇形双作用执行机构及配套阀门附件，组合成高频开关蝶阀，并进行一系列相关性能检验与测试[6-7]，已在工程实际的运行中取得了满意效果。

[1]顾国维，何义亮. 膜生物反应器——在污水处理中的研究和应用[M]. 北京：化工工业出版社，2002. 5.

[2]杨龙. MBR工艺中膜污染现象及其防护措施探讨[J]. 中国水运2012. 1（3）：261-262.

[3]陆培文. 实用阀门设计手册（ 第二版） [M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[4]房汝洲，最新国内外阀门标准大全[M]. 北京：中国知识出版社.2006.

[5]SH/T 3005—2016，石油化工自动化仪表选型设计规范[S].

[6]API 598—2009，美国石油协会标准：阀门检验和试验[S].

[7]API 609—2010，美国石油协会标准：双法兰、凸耳和对夹式蝶阀[S].

Application and Study of Butter fl y On-off Valve under High Frequency Condition in MBR Process

Sun Zhixiang

（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

Regarding to the application of on-off butter fl y valve under high frequency condition in MBR process and the problems occurred in practical applications, the butter fl y valve existed at home and abroad for high frequency condition were analyzed and compared. The functions of valve body, actuator and supporting accessories to high frequency condition were described and analyzed in detail. Then appropriate adjusting and con fi guring measures so as to adapt the technical speci fi cations for butter fl y valve applied under high frequency condition were presented.

high frequency; on-off butter fl y valve; rubber lined butter fl y valve; double eccentric butter fl y valve; vane actuator

TQ 055.8+1 文献标识码：A 文章编号：2095-817X（2017）05-0047-004

2017-07-26

孙治祥（1962—），男，工程师，主要从事石化仪表设计。