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粉体颗粒输送系统中控制阀的选择

http://bonjunior.blog.bokee.net    2012-11-2


    
气体、液体与粉体颗粒输送控制阀在设计原理上的本质区别
    
对于工程师来说,选择用于粉体颗粒输送系统的控制阀是一项极大的挑战。这是因为在市场上存在各种各样的阀门可用选择,但绝大多数阀门在处理粉体颗粒物料时总是存在这样那样的问题。粉体颗粒输送对于阀门的选型有着更高的要求。本文着重阐述了气体、液体输送控制阀与粉体颗粒输送控制阀在设计原理上的本质区别,希望对广大服务于化工行业、食品加工行业等有着粉体颗粒输送的要求的工程师有所帮助。
    
系统设计工程师在设计输送系统时往往面临着众多的方案可供选择。其挑战在于基于对所处理物料的特性和系统所要达成的功能选择最合适的方案。气体、液体和粉体颗粒由于其固有特性不同,对于输送系统特别是阀门有着不同的要求。气体和液体的流动性极强,能够很容易地随着蝶阀的圆盘和传统闸板阀的移动而移动。正是由于气体和液体这种极强的流动性,使得阀门的密封圈与蝶阀圆盘和闸板阀闸刀之间的接触面能够实现完全的密封。气体和液体也不存在自身的切断和磨损问题。因此在用于输送气体和液体的阀门主要采用软质弹性材料密封设计。
    
干燥的粉体颗粒料由于其固体的特性较之气体或液体来说更具有磨损性同时流动性也较差。传统的阀门由于其最早设计用来处理气体和液体,所采用的软质弹性密封圈在输送干燥粉体颗粒时往往极易被刮擦而使阀门达不到预期设计要求。粉体颗粒料在阀门关闭时被闸刀截留并在密封圈处产生堆积,从而阻碍了阀门的完全闭合。同时暴露在物料流经方向上的软质密封圈要经受粉体颗粒料不断的冲击并受到极大磨损。由于这种磨损性而产生的破坏性会随着物料流动的速度的加快而以指数方式倍增。

    
蝶阀
    
蝶阀由于其自身的设计和功能的局限,有着内部清洁的问题。 当所输送的物料具有很高粘性时会导致圆盘闸刀阻碍物料流或者导致物料腐败变质,当输送系统需要输送不同物料时会产生交叉污染。蝶阀在设计中存在内部空腔,粉体物料在此堆积后产生交叉污染。同时圆形闸刀与阀体接触的地方形成一个锲口,粉体颗粒会在此堆积导致阀门卡住。另外在闸门关闭过程中,由于粉体颗粒的较差流动性,闸刀会将物料推至阀体顶部形成堆积。更为重要的是此类阀门没有任何机械方式可以保证在下次启动阀门时清除上次阀门开启时所堆积的物料。这将极大的阻碍阀门的完全闭合。总之,蝶阀这种主要用于输送其体和液体的阀门因为不存在自我清洁功能不适合输送干燥粉体颗粒物料。
    
    
再者,由于气体和液体所具有的低磨损性,在蝶阀的设计中并没有加入密封系统的耐磨损设计和阀门 在线维护 的设计。因此在干燥粉体颗粒物料输送系统中选用蝶阀会造成阀门失效、高维护成本、清洁问题和系统停机等问题。这些问题经常导致蝶阀较高的使用周期成本并极大降低使用者满意度。
    
蝶阀在输送干燥粉体颗粒时还会产生其它问题,比如蝶阀的圆形闸板处于物料流内,这导致了阻碍物料流动的问题,常常需要使用更大口径的管道和更加大的管道内压力来防止物料在输送中的堆积。物料架桥是蝶阀的另一个典型问题,随着开启闭合运动的增加而变得复杂。蝶阀的圆形闸刀和圆形的软质弹性密封圈始终暴露在物料流的冲击下,长此以往会产生磨损问题。尤其是颗粒物料会在闸板和密封圈之间堆积,妨碍闸门完全闭合。因此如果物料流动性强并且没有磨损性或者是粉末状态的话,可以选择蝶阀,但是在系统设计时需要考虑将来的清洁问题。
    
在粉末状物料输送系统中采用蝶阀需要注意粉末常常会侵入蝶阀驱动轴内导致阀门开启闭合时震动。因此在粉末物料输送系统中的蝶阀应尽量避免带料闭合。

    
传统圆顶闸板阀   
    
传统圆顶闸板阀解决了蝶阀中部闸刀驱动轴阻碍物料流动的问题。但是由于物料堆积致使阀门不能完全闭合以及物料交叉污染的问题导致传统闸板阀在粉体颗粒输送系统中鲜有成功案例。由于没有 自我清洁 功能,传统圆顶闸板阀经常需要将阀门从系统中拆卸下来得以进入阀体内部进行清洁工作。这导致了很长的系统停止时间。传统的围在闸刀四周的软质密封材料不能抵御磨损性物料的持续摩擦,这种情况导致了传统圆顶闸板阀经常需要维护来防止物料泄漏。
    
    
以上两种阀门设计在用于粉体颗粒物料输送系统中,重置成本相当高。其中最大的成本是因为维护而停止系统的成本。通常情况下,闸板阀阀体是铸造件,这使得阀门重量极大而且毫无必要大大增加了阀门安装维护的困难度和成本。由于此两种阀门没有 易于维护 设计使得工厂的维护成本高居不下。有些阀门维护成本升值高于重新购买新的阀门。
    
总体来说,干燥粉体颗粒物料特殊的属性使得输送此类物料的阀门需要解决物料较低流动性、较高磨损性问题并具有保持阀门自我清洁便于维护等功能。目前在市场上的绝大多数干燥物料阀门都是在气体、液体阀门的基础上稍加修改而成的。在用于干燥物料输送系统中不可避免的产生这样那样的问题。
    
美国弗泰斯阀门公司创始人 Neil Peterson 先生深知传统的蝶阀和闸板阀适用于气体和液体的输送但是在输送粉体颗粒时面临相当大的难题。业界急需一种可以替代蝶阀和闸板阀的粉体颗粒专用阀门来彻底解决当时阀门的物料流动阻塞,不能自我清洁和密封圈易磨损等问题。他的不懈坚持最终得到了回报:一个全新的设计诞生了。这就是公司的第一个产品:孔板阀。孔板阀于 1980 年获得专利,此项设计大大超越了业界对于粉体颗粒气动输送阀门的预期,孔板阀的发明也彻底改变了工程师选择粉体颗粒阀门的固有标准。

    
整个上世纪八十年代,弗泰斯公司陆续推出了几项革命性产品,包括基于与孔板阀相同设计原理的用于替换传统拨片式和通道式换向阀的 “Y” 型换向阀、滚柱支撑闸板阀和自清洁闸板阀。每一种创新设计都极大地拓宽了弗泰斯公司控制阀和换向阀的处理物料的能力。为了满足不断增加的市场需求,更好的服务于亚太特别是中国市场,弗泰斯公司于 2009 4 月在上海成立其亚太区销售总部。

什么是最佳粉体颗粒输送阀门?
    
传统的蝶阀和闸板阀适用于气体和液体的输送但是在输送粉体颗粒时面临相当大的难题。业界急需一种可以替代蝶阀和闸板阀的粉体颗粒专用阀门来彻底解决当时阀门的物料流动阻塞,不能自我清洁和密封圈易磨损等问题。美国弗泰斯阀门公司创始人 Neil Peterson 先生致力于为干燥粉体颗粒物料的气动输送设计和生产专用阀门,解决长期困扰业界的低效率输送问题。他的不懈坚持最终得到了回报:一个全新的设计诞生了。这就是公司的第一个产品:孔板阀。
目前弗泰斯有几款特殊设计阀门成功解决了蝶阀和传统圆顶闸板阀在输送粉体颗粒时的问题。选择合适的阀门需要全面考量输送系统和输送物料各方面问题。

    
孔板阀
    
孔板阀传统上说是用来高压( 6 bar/ 90Psig )输送浆料。这类阀门阀体主要是铸造件并且使用与传统气体、液体输送阀门类似的密封系统。在输送粉体颗粒料时会产生和气体、液体输送阀门类似的问题。同时,较高成本的铸造件阀体在用于低压的稀相输送系统和直坠系统中显得毫无必要。
    
对于大多数粉体颗粒物料输送系统来说,系统内的压力通常小于 1Bar 15Psig ),一种特殊设计的孔板阀将是此类系统最好的控制阀。一个典型的孔板阀通常是采用一片中间穿有一孔的不锈钢闸板。而孔板中间的孔径和系统管道相同。而此片不锈钢孔板被上下两块相同大小的硬质高分子聚合物密封垫以 三明治 方式加载负荷已达到密封效果。在阀门开启状态下,闸板上的孔和密封垫上的孔完全重合与系统管道相匹配,因此消除了物流阻碍并且避免了密封圈暴露在物料流冲击下。 在阀门闭合状态下,通过预置在不锈钢孔板上下两端密封垫上的压力起到密封效果。
    
预置的压力主要是通过安装在硬质高分子聚合物密封垫背部的橡胶件完成。隔绝软质密封圈与物料的接触是此阀门最关键的设计。而替代的硬质高分子聚合物密封垫完全可以抵抗干燥物料的冲击磨损和不锈钢闸板的摩擦磨损。
    
相较于传统蝶阀和圆顶闸板阀,孔板阀拥有几项显著的优势。 自我清洁 功能就是其中最为主要的优势。孔板阀的法兰开口、密封垫开口和不锈钢孔板开口完全重合,完全避免了任何空腔的存在使得物料无处堆积。这项设计在输送易交叉污染和易腐败物料时尤为重要。孔板阀闸刀在带料闭合时把少量物料推入刀孔中而不是将物料挤压堆积在闭合处,闸刀上的圆孔就保证了阀门的完全闭合。在输送坚硬或者具有磨损性的物料时,还可以在阀门进口端安装导流罩使得物料集中在阀门中央通过来减少物料对于密封圈的磨损。而在阀门开启时先前推入圆孔的物料由于闸刀的运动而自动地被带回到物流内。这项 自我清洁 的功能防止了物料在阀门内的堆积而导致的阀门驱动时震动、交叉污染和物料腐败等问题。
    
经过长时间反复开启闭合,孔板阀上的硬质高分子聚合物密封垫最终还是会因为反复与不锈钢孔板闸刀摩擦而磨损老化,而导致预置载荷不足以起到密封物料或空气压力的作用。但是孔板阀的预置载荷可以通过简单的线上维护就能恢复到原先水平。这得益于密封垫和不锈钢闸刀的 三明治 安装方式。原来在阀门制造时,已经预留几片备用的塑料垫,垫在阀体和 三明治 层之间,从而可以通过增加垫片起到增加预置载荷的目的,或者通过减少垫片来减少预置载荷。在阀门维护时不需要将阀体从输送系统中卸下,只需抽出一对备用塑料垫并重新加以紧固就可以恢复预置载荷起到密封作用。 塑料垫片的设计可以使用户更加快捷和便利的维护阀门使之达到最佳工作状态。这对于输送系统不能停机的使用者尤为重要。
    
这些特殊的设计为干燥粉体颗粒物料的输送带来了很多好处。有别于气体和液体输送,在设计粉体颗粒输送系统时必须考量物料自身的粘性或者磨损性和系统本身压力问题。输送具有粘性或者磨损性的物料必须降低阀门特别是密封圈与物料的直接接触。对于粘性颗粒物料来说,密封圈接触面小的闸板阀或者蝶阀都是比较好的选择。而那些闸刀不与物料直接接触以及密封圈较少与物料接触的闸板阀将是输送磨损性物料的最佳选择。对于压力超过 1Bar/ 15Psig 的气动输送系统来说,选择阀门还必须考虑到阀体的气密性问题。

    
滚柱支撑式闸板阀
    
当在直坠输送系统中输送粘性或磨损性颗粒物料,一个正方形或矩形的在闸刀下方安装有滚柱支撑密封系统的阀门将是最佳的选择。矩形的四周密封条在密封性上要强于传统圆顶闸板阀的圆形密封。
    
由于该阀门的密封是通过闸刀底部滚柱的支撑作用将闸刀紧紧顶在其上的硬质密封条上,因此降低了密封条和物料接触的可能。对于输送粘性或磨损性物料来说此设计显得尤为重要。滚柱系统无需很大驱动力并减少了闸刀磨损以及阀门开启闭合时闸刀与阀体金属间的直接接触。而这种金属间的直接接触会导致阀门驱动时的震动。
    
目前市场上存在着大量的质量不同用材各异的此类阀门。但是只有那些采用了硬质高分子聚合物密封条和可调凸轮滚柱支撑系统的阀门才极大避免了物料对于密封条的磨损并且具有易维护性,才是输送粉体颗粒物料的理想选择。同时,此类阀门往往会在气缸连接的那端由于摩擦频繁而泄露,因此在此处增加一个可拆卸式密封条的设计将使阀门在线维护成为可能而大大降低由于系统停车而带来的损失。
    
在选择粉体颗粒控制阀时还必须考虑闸刀自我清洁的能力 , 即在关闭时能否清除掉密封圈附近的物料达到完全闭合的效果?阀门设计中是否含有可能堆积物料的内腔?如果闸刀在带料闭合时会切断物料,是否在设计上考虑了相关措施保证被切断物料不会堆积在阀门闭合处?
    
综上所述,方形或者矩形的滑板阀主要应用于无系统内外压差的输送系统中。

    
闸刀抬升式闸板阀
    
闸刀抬升式闸板阀弥补了传统圆顶闸板阀在输送干燥粉体颗粒物料时的缺点。此阀门可以禁受最大 5Bar/ 75Psig 的系统压力。虽然此阀门也采用圆顶阀体,但是它的密封不是依靠闸刀和阀体密封圈的紧闭接触。在阀门顶端有一个巨大的导流区域可以使落在闸刀上端的物料在阀门关闭时自动落入阀门底部的物料流内而不产生物料的堆积。
    
虽然此阀门中也安装有软质弹性密封圈,但是阀门的特殊设计保证了阀门在闭合时密封圈与闸刀尽可能少的直接接触从而避免了由于多次开启闭合而导致的密封圈老化。物料会被轻柔地从闸刀和密封圈表面拂去。当阀门最后闭合时,闸刀会自动向上跳 2 个行程从而从下至上与密封圈紧密贴合。
    
闸刀被设计成墓碑形状,保证了闸刀始终与阀门密封圈保持垂直接触。这项设备避免了传统圆顶阀门的锲作用。而垂直光滑的表面使得任何在其上的物料都会马上被带回到物料流之中去。而软质的密封圈在闸刀闭合时可以包容留在密封腔内的少量物料。
    
由于闸刀抬升的设计使得阀体必须设计成特殊的密封腔使得闸刀抬升过程中不会牵涉到密封圈。在闸刀和气缸连接处设计了浮动夹保证了闸刀在垂直上抬的过程中整个闸刀保持水平。密封腔的作用是防止被软质密封圈包容的少量物料泄露到系统外。而阀门的密封腔和闸刀部分可以很容易的拆卸下来清洁使得此阀门具有便于维护的优点。在维护阀门时,承重的阀体不需要从系统中卸下来。
    
阀门的出口端也被设计成墓碑形状从而避免了类似传统圆顶闸板阀出口端的空腔,当然在出口连接处会安装方形或者圆形转接环。这虽然导致了阀门厚度有所增加但是提供了多种用户自选连接方式。
    
闸刀抬升式闸板阀的主要缺点是相对于传统闸板阀,它的高度和重量比较大。这是所有耐高压阀门的通病。由于制造的复杂性,使得这个阀门的成本要高于传统的闸板阀。

    
虹膜阀
    
从定义上来说虹膜就是一种开启闭合孔洞的方式,我们可以从人的眼睛、照相机的快门甚至是科幻片中的房门中看到实例。虹膜阀主要用来控制直坠系统中自由流动干燥物料流的开启和闭合。虹膜阀可以用在很多行业包括化工、奶制品、食品、矿山塑料和医药。虹膜阀经常用于输送脆性物料。   
    
虹膜阀主要被用于卸载散装物料袋,阀门通过扎紧物料袋的颈部而且到切断物料流动的作用。虹膜阀在输送爆炸性的物料和脆性物料时表现良好,但是它不适合处理高流动性、磨损性物料和需要频繁开启闭合的系统中。
    
虹膜阀由两个连有柔性袖筒同心圆环组成,袖筒的一头与内环相连,另一头与外部控制环相连。控制环上安装有手柄,手柄可以 180 度旋转。通过旋转,袖筒被扭曲成松、紧合完全闭合等状态。

    
虹膜阀为干燥粉体颗粒物料输送提供了一个实用而且便宜的方案,其优缺点如下:
    
优点:
    
价格便宜。
    
紧凑设计,质量较轻便于安装。
    
可输送易爆性和脆性物料。
    
无阻碍式开口。
    
开口闭合于中央使得物料可均匀卸载。
    
便于维护。

    
缺点:
    
不适合输送大量物料和频繁输送物料。
    
不适合输送大质量或者磨损性物料。
    
不适合安装于物料流量过大的系统中。
    
阀门不能吊装其他重型设备。
    
螺栓孔较特殊。
    
    
整个上世纪八十年代,弗泰斯公司陆续推出了几项革命性产品,包括基于与孔板阀相同设计原理的用于替换传统拨片式和通道式换向阀的 “Y” 型换向阀、滚柱支撑闸板阀和自清洁闸板阀。每一种创新设计都极大地拓宽了弗泰斯公司控制阀和换向阀的处理物料的能力。为了满足不断增加的市场需求,更好的服务于亚太特别是中国市场,弗泰斯公司于 2009 4 月在上海成立其亚太区销售总部。