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【學(xué)術(shù)前沿】氧化鋁安全閥的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

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概述●

安全閥是一種自動(dòng)閥門，系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)超過規(guī)定值時(shí)，啟閉件自動(dòng)開啟排放介質(zhì)，低于規(guī)定值時(shí)，啟閉件自動(dòng)關(guān)閉，是設(shè)備、裝置以及管路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)功能的最后一道防線。應(yīng)用于氧化鋁溶出系統(tǒng)高壓溶出器（壓煮器）和自蒸發(fā)器（閃蒸槽）的安全閥，面臨的工況極其嚴(yán)苛，事故危害極大，因而對其動(dòng)作性能要求更高。介質(zhì)中包含介質(zhì)、水、高堿腐蝕性的顆粒料漿及各種氣體，對安全閥的密封、準(zhǔn)確開啟、及時(shí)回座和回座后的動(dòng)態(tài)密封提出了更高要求。尤其是面臨高堿腐蝕性的硬顆粒料漿，對密封副的腐蝕、沖刷更加苛刻。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和性能要求滿就顯得尤為關(guān)鍵了。

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安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)●

氧化鋁專用安全閥由于介質(zhì)中不但存在水、高堿腐蝕性的硬顆粒料漿，還有各種閃蒸氣體，其介質(zhì)涉及氣、液、固三相，面臨的工況極其嚴(yán)苛。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的顆粒粘著于安全閥的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)副上時(shí)，安全閥就會(huì)被卡死，失去其安全保護(hù)功能。被排出的三相流介質(zhì)在安全閥的出口側(cè)迅速膨脹后，形成變化的背壓，如不能平衡這背壓，會(huì)造成安全閥頻跳和顫振，使安全閥迅速失效。所以，設(shè)計(jì)這種安全閥時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)成背壓平衡式結(jié)構(gòu)安全閥。如圖1所示。一是為了消除出口側(cè)背壓對安全閥動(dòng)作性能的影響。二是采用背壓平衡式結(jié)構(gòu)后，將安全閥的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及上部彈簧腔室等部件與介質(zhì)隔離開來，防止顆?；虻V漿進(jìn)入安全閥的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及彈簧腔室內(nèi)，防止彈簧腔室被凝固的料漿堵死，確保安全閥的正常動(dòng)作。

密封副中的閥瓣設(shè)計(jì)成彈性閥瓣結(jié)構(gòu)，如圖2所示，安全閥密封副各特種尺寸的參數(shù)見表1。在閥瓣的密封面上部，設(shè)計(jì)成45°的槽型，使閥瓣密封面具有一定的彈性。另外，為了提高安全閥密封比壓，閥瓣密封面設(shè)計(jì)成中間開r槽的雙密封結(jié)構(gòu)。閥座密封面在其中間設(shè)計(jì)成帶r槽的雙密封結(jié)構(gòu)。不但起到減小密封面寬度，提高密封比壓的作用，同時(shí)減少了顆粒附于密封面上的可能，提高了密封的可靠性。密封面采用堆焊高硬度耐磨的硬質(zhì)合金，減少了氧化鋁顆粒沖刷，保證了安全閥的密封性。

圖1 氧化鋁專用安全閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 閥瓣閥座密封副結(jié)構(gòu)圖

在這種苛刻工況下使用的安全閥由于采用了波紋管結(jié)構(gòu)，使安全閥的其他部件如閥桿、閥蓋、導(dǎo)向套、反沖盤、彈簧等避免了與含腐蝕性介質(zhì)的直接接觸。同時(shí)采用了波紋管保護(hù)機(jī)構(gòu)，避免了波紋管受到直接沖擊。

表1 密封副各特種尺寸的參數(shù)表

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安全閥主要零件材料選用●

因?yàn)檠趸X專用安全閥介質(zhì)中不但存在水、高堿腐蝕性的硬顆粒料漿，還有各種閃蒸氣體，其介質(zhì)涉及氣、液、固三相，面臨的工況極其嚴(yán)苛。為保證氧化鋁專用安全閥密封可靠、整定準(zhǔn)確、啟閉靈活和回座及時(shí)，材料的選擇也顯得非常重要。一般閥體、閥蓋、閥座采用奧氏體不銹鋼，閥座密封面鈷基堆焊硬質(zhì)合金，閥瓣選用17-4PH材料彈性閥瓣，要求高的場合甚至選用鎳基INCONEL718，彈簧采用耐高溫彈簧合金60Si2Cr、30W4Cr2VA，閥桿采用17-4PH材料。主要零件材料選用見表2所示。

表2 閥門主要零件選用表

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結(jié)語●

從氧化鋁專用安全閥流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理、氧化鋁專用安全閥啟閉調(diào)節(jié)排放技術(shù)、氧化鋁專用安全閥低比壓密封技術(shù)、氧化鋁專用安全閥產(chǎn)品研制及應(yīng)用等角度出發(fā)，分析其閥門工況條件、閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)數(shù)值模擬和實(shí)際工況運(yùn)行，得到了以下結(jié)論：

（1）建立了基于能量最小多尺度理論（EMMS）的氣-液-固三相流模型、基于離散格式控制的液相全空化（氣蝕）湍流模型、基于納米壓痕和單顆粒沖刷法的沖刷模型、基于液體動(dòng)力學(xué)的流致噪聲模型以及基于超聲速流場理論的氣相流動(dòng)模型。

（2）通過對氧化鋁專用安全閥密封部件受力分析，提出雙密封結(jié)構(gòu)的彈性閥瓣結(jié)構(gòu)和雙密封閥座結(jié)構(gòu)，閥瓣采用鎳基合金，閥瓣并采用堆焊鈷基硬質(zhì)合金密封面，從而確保低比壓工況下的密封要求，延長使用壽命。

（3）對氣流噴射過程數(shù)值模擬和動(dòng)態(tài)氣流模擬試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)一種助推集聚和轉(zhuǎn)換散放流的波紋管式帶反沖盤和下調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)構(gòu)的氧化鋁專用安全閥，確保閥門性能穩(wěn)定可靠。 

（4）產(chǎn)品經(jīng)多家用戶使用，表明閥門開啟準(zhǔn)確、排放穩(wěn)定、密封可靠。