新式止回阀在炼钢余热锅炉中的应用

高 敏,孙高峰,赵英春

(烟台国冶冶金水冷设备有限公司,山东 烟台 265500)

1 概 述

随着“双碳”政策的施行,我国工业产业中的钢铁产业也受到了一定的压力,扩张速度不及以前那么迅猛,但这并不是表明钢铁产业不再需要发展,经过前面几十年的不断提升,我国的钢铁产业体量上位居世界第一,粗钢产量多年蝉联世界第一,但以前那种粗放型的钢铁产业扩张模式已经不再能匹配我国目前的国情,正是因为国家提出了“双碳”政策,钢铁产业必须从“高速度发展”提高到“高质量发展”的层面,炼钢企业要推行高质量发展,首先就应该提升本企业的节能减排,炼钢是高耗能大户,但耗能的同时也产出着丰富的余热资源,尤其是在中国这么一个钢产量位居世界首位的国家,余热资源更是特别丰富。提高余热回收水平对钢铁企业是非常重要的[1]。

为钢厂配套的余热锅炉,长期在高温高压且具有周期性变化的工况下运行,管道及阀门的功能稳定性对生产运行安全至关重要[2-7]。其中,止回阀也被叫做逆止阀、逆流阀、单向阀等,在余热锅炉管道系统中防止水回流冲击,避免泵及电机反转,尽可能地减少水锤效应的影响[8-10],也可降低能源损耗。止回阀作为余热锅炉系统中的重要零部件,阻断水或蒸汽的反向流动,对锅炉系统安全运行有着关键作用。

目前,市场常见的止回阀主要有旋启式、升降式、蝶式、球形、隔膜式等,在实际运行中发现其通常存在一些不足[11-12]。使用介质黏度大或含固体颗粒介质较多的工况下,会导致旋启式止回阀摇杆的开启状态不灵敏,造成密封失效,对工作介质的止回作用不可靠。升降式止回阀密封性能好于旋启式,但存在流阻大,能源消耗多的瑕疵。蝶式止回阀只能在水平管道上安装,密封性能也差,且阻力及水锤冲击都较大。球形止回阀需要维护周期短。而隔膜材料决定了隔膜式止回阀的使用温度和压力不能满足锅炉工况。

因此采用了一种新式止回阀,其内部启闭件是圆筒形筏瓣,可靠自身重量及工质压力而动作来使工质通断,具备手动自动双用功能。这个产品的阀门同时具有截止和止回的功能,既能水平安装也能垂直安装使用,手轮逆时针旋转将阀杆全部打开,水流冲击作用将阀瓣平稳打开,水流正常通过,如果遇到突发情况,阀瓣能够及时通过自身的重量按固定的45°自由滑落将密封面封闭,将水流截停止回,避免发生水锤现象而造成不必要的设备和管路损坏,后期可以再用手轮顺时针将阀杆关闭锁紧。在使用性能,安全性能等方面相对于以往通用型的止回阀有很大的本质提升。

2 新止回阀的工作原理及结构特点

本止回阀是一种新型手动自动双用Y型止回阀,主体结构铸件采用球墨铸铁材质。结构如图1所示,包括阀体、密封件、阀盖、填料等,阀体和阀盖材料的化学成分和机械性能符合ASTM A536(65-45-12),抗拉强度≥450 MPa,屈服强度≥310 MPa的要求,阀门部件大多采用铸造成型,可根据阀门的使用介质,使用性能,安全性,腐蚀性等要求[13-16],将该止回阀阀门的材质采用铸钢形式,从而进一步提升该止回阀的各方面使用性能。阀杆移动轨迹中心线与工作介质通道中心线成45°锐角,便于阀瓣通过自身的重量按此角度自由滑落将密封面封闭。

图1 新式止回阀结构

本产品添加了手轮控制机构,手轮转动可控制阀杆动作,可将阀门封闭锁紧。本产品有密封性能优良、水锤冲击效应小等优点。另有如下结构特点:

(1)一体成型的阀体内 “Y”型通道的直径大于阀门两端法兰的内径,由此増大了流体的流通面积,降低了介质阻力,减少或消除了水锤现象。

(2)阀体上方安装有阀瓣,阀瓣采用了空心结构,重量轻,配套使用了减震活塞环密封件,具有一定的缓冲减震作用,且具有使用寿命长的特点。

(3)阀体密封圈和阀瓣密封圈安装时成对配合研磨后装入阀体,保证两者在阀座端面上接触均匀并且让两者有一定的活动空间,然后将导套装入阀体,使导套与阀体密封圈的间隙及导套与阀体内侧圆的间隙均匀,保证阀杆旋转流畅,最后装入阀体上,使整个阀门运转可靠。

(4)本止回阀同时具备满足液体和气体的使用条件,耐高温高压,安全性能满足余热锅炉体系要求。

本新式止回阀结构设计可靠,几乎无需额外维护。

3 阀体强度计算及质量检验

止回阀的阀体作为整个设备的承压件,其质量约占整个阀门质量的70%,其壁厚及质量如有问题,会导致泄漏、热停车等情况,打断了正常的生产节奏,故阀体的强度计算和安全校核应引起关注。

根据第四强度理论的“畸变能密度引发材料屈服”,按承受内压的圆筒,计算阀门最小需要壁厚:

式中:t为筒体最小需要壁厚,mm;tB为名义壁厚,设计给定,mm;p为计算压力, MPa;Dn为设备内径,mm;[σ]为材料的许用应力, MPa;φ为焊缝减弱系数 (≤ 1) ;c为厚度附加量,1～5 mm。

4 结 语

一套炼钢余热锅炉系统,安装的阀门数量种类众多,从炼钢余热锅炉的实际使用工况分析,常见的止回阀还有改进的余地,故采用了新式止回阀结构。该阀在阀瓣卡阻的时候,可以进行手动操作,在满足多功能要求的同时,降低了设备运行成本。