阀门在气力输送系统中的应用与选择
刘丽芬1 胡远银 2柳世青1 温玲浩1
1. 麦考勃气动输送工程（上海）有限公司，上海 200122
2.上海耐腐阀门集团有限公司，上海 201611
摘要 介绍了气力输送系统中常用的阀门，及各类阀门的性能比较。
关键词 气力输送；阀门；阀门应用；圆顶阀门
The application of valves in pneumatic conveying
Liu li-fen Huyuanyin Liushiqing Wenlinghao
Macawber China
Abstract: Introducing the valves performance during the pneumatic vonceying.
Keywords: Pneumatic conveying; Valve; Valve application; Dome valve
1.概述
所谓气力输送，简言之是利用压缩气源作为输送动力，将粉状物料在密闭容器中从一端输送到另外一端。气力输送所应用的行业非常广泛，如电厂的煤粉、粉煤灰、炉底渣；化工行业的化工原料；建筑行业的水泥、石灰；还有食品医药卫生等行业的各种粉料或颗粒物料等。而各种阀门的合理选用在气力输送中是至关重要的。阀门要胜任上述各行业的气力输送的应用，必需具有耐温、耐腐蚀、耐磨损等等各方面的优良性能。
图1为一个基本的，典型的正压气力输送的示意图。根据阀门在其中的位置及作用，我们将其大致分为进料用阀、排气用阀、进气用阀、出料用阀、切换用阀等。

2.气力输送系统中阀门的选择
2.1进料用阀的选择
进料用阀在气力输送中是非常关键的一种阀门，可谓起着“承上启下”的作用。它是用来切断和接通物料从输送点至输送容器的阀门。合理口径进料阀的选择决定了物料的流量以及整个系统的输送能力。根据输送介质的不同，对其耐温、耐腐蚀、耐磨性能也有不同程度的要求。根据经验在不同案例中通常选择双插板阀、球阀、圆顶阀等作为进料用阀。下面简单介绍各种阀门作为进料阀的使用情况。

2.1.1双插板阀

如图2所示，该阀有两个插板来切断物料，而插板的材料可选用不锈钢、合金钢等，可用于耐腐蚀和耐磨等场合。有手动，气动，电动三种操作方式。我们通常选用气动或者电动两种自动控制方式。但是由于其结构的原因，插板的行程较长，对气动或者电动装置的扭矩要求大，动作周期较长，使用不够灵活。气动双插板阀的工作原理：在气缸的带动下插板开启关闭阀门，丁字型阀板座采用特殊结构，在带动阀板直线运动的同时沿中心作园周转动，对阀座密封面起到了一定的自研磨以及抛光清洁作用，从而使密封插板圆周均匀承受物料的冲击和磨损，避免了插板在长期运行过程中局部损坏或磨穿，使其寿命大大延长。同时，双插板在弹簧静压下能保证两面密封不渗漏，当插板的
一面有压力时，另一面通过弹簧的作用能密封座更紧密的接触，以达到彻底密封的效果。但是该阀在使用中暴露出的主要问题是密封及阀板的冲刷损坏。插板阀门
适合于在全开或全关的状态下工作，如果插板长时期处于半开关的状态下工作，插板的密封面会因受介质冲刷而变得不严密。
因此该阀门在耐琢以及耐磨方面还应进一步改进。
2.1.2球阀
球阀（图3）是最通常使用的阀门之一。

作为进料阀，通常是选用自动（气动或电动）控制球阀。球阀有软密封和硬密封球阀。
软密封球阀，阀座密封圈材料是聚四氟乙烯，具有摩擦系数小、性能稳定、不易老化和密封性能优良的特点。因为聚四氟乙烯具有较高的膨胀系数，对冷流的敏感性和不良的热传导性，当密封材料变硬时，密封的可靠性就受到影响。而且，聚四氟乙烯的耐温等级较低，只能在小于180℃情况下使用。超过此温度，密封材料就会软化。考虑长期使用的情况下，一般应控制在１２０℃下使用。
因此，在气力输送系统中，由于粉体介质的磨琢性，而且一般电厂除灰系统介质温度较高，所以只选用硬面密封球阀作为进料阀。但是因为气力输送系统通常24 小时连续工作，阀门动作频率比较高，一般几分钟，短的甚至一分钟不到就会动作一次。要求阀门使用寿命长，如果硬面密封球阀的使用寿命为2-3万次，假设在气力输送系统中，每五分钟阀门动作一次，那么球阀的使用寿命将为70天-104天。这个结果不太令人满意。因此，在电厂除灰系统中，希望能有使用寿命长的硬面密封球阀出现。
2.1.3圆顶阀
圆顶阀门见图4）由阀体、阀轴（驱动轴、从动轴）、顶盘、穹形、阀芯、可膨胀密封圈、汽缸等零件组成。
园顶阀的壳体与穹形阀芯材料常选用球墨铸铁，不诱钢，特种耐磨材料，钢衬氟塑料。密封圈材料常选用氯丁橡胶，硅酮橡胶，氟橡胶，三元乙丙橡胶等。
圆顶阀由于其结构的特殊性。通常是我们在气力输送中的首选阀门。圆顶阀是依靠压缩空气实现紧密密封效果的特殊阀门，适用于处理含尘气体、磨琢性散装物料。圆顶阀在几乎所有行业中均有广泛应用：如用于库/仓的放料阀、工艺流程阀门、换向阀门、反应堆阀门、流化床燃烧室阀门、高压气体反应器、降压装置等。

1. 阀体 2. 从动轴 3. 顶盘 4. 可膨胀密封圈 5.穹形阀芯 6. 驱动轴
7. 自润滑轴承 8. 接近开关 9. 双作用汽缸 10. 出口连接器（出料阀用）
图4 圆顶阀结构图

a. 圆顶阀工作原理（图5）
圆顶阀的关闭过程——这时圆顶阀密封圈处于完全松弛（不充气）状态，阀芯与阀座之间存在一定的间隙。阀芯旋转，物料随着阀芯的转动，有的穿过该间隙进入容器，有的停留在间隙处。当阀芯旋转至关闭位置，密封圈开始充气膨胀，并紧紧裹住间隙里各种形状的颗粒附着在阀芯的边缘，圆顶阀完全关闭。
圆顶阀的开启过程——阀门开启之前，密封圈先排气至完全松弛。阀芯与阀座间回复到原来的间隙，阀芯开始转动至开位。

b. 圆顶阀的技术参数
公称压力：PN1.0，PN1.6，（包括美标ANSI 150Lb）。
常用的规格：DN50，DN100，DN150，DN200，DN250，DN300，DN400
使用温度：常温阀（＜200℃）和高温阀（280℃～350℃），半高温阀（200℃～280℃）；
因此圆顶阀可以适用于不同温度、压力工况，能输送各种性质的固体物料（一般物料，有腐蚀性物料，磨琢性强的物料）。另外，对于一些防爆场所和更高温度工况，还可特殊定制。
根据适用物料情况可选用：带刮圈（清洁粘附在穹体表面的残余物料，用于粘性物料）和不带刮圈（适用于流动性好的物料）。
根据运行控制机构可选用：CON0 不提供或安装控制装置；CON1 仅提供气动控制；
c. 圆顶阀门的使用及维护
根据圆顶阀的结构及工作原理，阀门的使用必须注意以下事项：检查所有紧固件，尤其确保阀内固定穹形体和轴的螺栓已紧固；要求圆顶阀开启或关闭时，两侧无压差，否则压力高侧的气体和物料将高速穿过穹形阀芯和密封圈的间隙，造成穹形阀芯和密封圈磨损；可膨胀密封圈在阀门开启或关闭之前应该完全收缩，否则将造成穹形阀芯切割损坏密封圈；可膨胀密封圈的膨胀压力必须高于阀门的介质压力，否则密封圈将不完全膨胀，会导致密封圈和穹形阀芯之间产生空气及物料泄漏，会冲刷密封圈、阀芯及其他部件。
圆顶阀由于其独特的结构和加工工艺，性能可靠，在正常使用工况下，每运转100万次才需要检修一次。密封圈是唯一的磨损件。密封圈是一种柔性部件，位于托圈和顶盘之间，由紧固件固定，非常便于拆卸和检修。
圆顶阀的常规检查主要如下：拆下圆顶阀顶盘，检查穹形阀芯和密封圈的磨损情况；必要时更换； 清除穹形阀芯表面黏附的物料（穹形阀芯表面的清理频率须依据通过阀物料的材质特性而定；若通过阀的是潮湿黏性物料，应在初期运转中尽早检查以确定物料黏附的程度）。检查圆顶阀的驱轴、枢轴、密封圈和轴承的磨损情况，必要时更换；检查气动装置的轴承和密封圈，必要时更换； 检查自润滑轴承，必要时更换。自润滑轴承无须另外润滑。
d . 圆顶阀与传统阀的性能比较
我们常用的传统阀门，一般有两种形式的密封：一种是硬密封，一种是软密封。硬密封阀门是靠提高配合面的加工精度，增强阀座和阀瓣（板）密封面材料的硬度，靠挤压、括擦破碎物料颗粒而密封的。这样随着阀门频繁的开启，密封面的磨损逐渐加大，直至无法使用；而传统软密封阀门使用的柔性密封圈不是靠膨胀，而是靠磨擦力来密封，耐磨性能差，补偿作用小。

而圆顶阀是靠可膨胀密封圈密封。当穹形阀芯旋转时，穹形阀芯与阀座间存在合理间隙，因此阀芯与阀座几乎无磨擦。阀门关闭时，间隙处颗粒在密封圈内外压差的作用下，被膨胀的密封圈紧紧裹住并附着于穹形阀芯与阀座接触的边缘，完全切断静止或流动的物料。物料颗粒与密封圈之间没有相对移动，极大减轻了密封圈的磨损，而且密封圈由于自身弹性作用，能够在充气工况下自动进行磨损补偿，因此密封圈的使用寿命大大提高。
圆顶阀独特的关闭及密封动作使其可在磨损、高温、腐蚀或者黏性等特殊工况下连续稳定地运行，这是传统阀门所无法胜任的。圆顶阀与其他阀门的性能比较见表1。
表1  圆顶阀与其他阀门的性能比较

2.2排气用阀的选择
排气用阀是当气力输送系统进料时，将输送系统内的空气排到进料仓或者烟道中的阀门，以便于顺畅下料，缩短进料时间。其主要输送介质是带有少量粉状物料的空气。常用的可作为排气用阀有：双插板阀、蝶阀、管囊阀、球阀以及圆顶阀等。
双插板阀、球阀、圆顶阀上面已经叙述过，不赘述了。下面主要介绍一下管囊阀和蝶阀。
2.2.1 蝶阀
蝶阀是近期发展最快的阀门品种。
蝶阀具有结构简单、体积小、重量轻、材料耗用省、安装尺寸小、开关迅速、90°往复回转，驱动力矩小等特点。用于截断、接通、调节管路中的介质，具有良好的流体控制特性和关闭密封性能。蝶板的流线形设计，使流体阻力变小，是一种节能型产品。
金属密封蝶阀发展迅速，随着耐高温、耐低温、耐强腐蚀、高强度合金材料在蝶阀中的应用，使金属密封蝶阀在高温、低温、强冲蚀等工况下得到广泛的应用，并部分取代了截止阀、闸阀和球阀。
由于蝶阀阀板的运动带有擦拭性，故大多数蝶阀可用于带悬浮颗粒的介质，依据密封件的强度也可用于粉状和颗粒的介质。又能进行灵敏的流量控制，蝶阀的结构原理适合于制作大口径阀门。

在下列工况条件下，推荐选用蝶阀：
① 要求节流、调节控制流量；
② 泥浆介质及含固体颗粒介质；
③ 要求阀门结构长度短的场合；
④ 要求启闭速度快的场合；
⑤ 压差较小的场合；
在双位调节、缩口的通道、低噪声、有气穴和气化现象，向大气少量渗漏，有磨损性介质时，可以选用蝶阀。
在特殊工况条件下节流调节或要求密封严格，过磨损严重、低温（深冷）等工况条件下使用蝶阀时，应选用特殊设计金属密封带调节装置的三偏心或双偏心的专用蝶阀。见图６三偏心蝶阀。

一般的蝶阀为单偏心或双偏心结构，偏心的目的在于使蝶板开至大约20°之后，阀座与密封面之间脱离，从而减少摩擦。双偏心结构是在设计时将轴偏离密封面中心线a, 形成第一偏心；轴微偏离管路中心线b，形成第二偏心。这两个偏心的目的是在阀门开关行程中，减少阀座与密封圈的摩擦。
三偏心金属密封蝶阀在原有的基础上增加了一个偏心角，不仅利用了原有的凸轮效应，而且完全消除了90°行程中阀座与密封圈之间的摩擦。
从几何形状上使得阀座与密封圈在阀门整个开关行程中完全脱离。这一独特的偏心组合，即利用了凸轮效应，又完全消除了摩擦，从而实现了阀门90°行程，阀座与蝶板上的密封圈之间无摩擦，消除了磨损泄漏的难题。大大提高了蝶阀的使用寿命 .
三偏心金属密封蝶阀优化了阀座与密封圈之间的接触特征。绝大多数蝶阀接触角为3°～６°，此范围为锁定锥度范围，会产生很高的密封扭矩和开启扭矩。
　　三偏心金属蝶阀密封面的接触角大于锁定锥度范围，从几何形状上排除了卡死的可能，从确保阀门开关所需扭矩在阀门整个使用年限内不会产生很大的变化。
蝶阀是用圆盘式启闭件往复回转90°左右来开启、关闭和调节流体通道的一种阀门。蝶阀结构简单、体积小、重量轻，操作扭矩小，开启迅速。其安装位置、安装角度不受限制，容易拆装，维修较为方便，只需更换蝶阀密封圈或蝶板，因此维修价格较低。
蝶阀有弹性密封和金属的密封两种密封型式。弹性密封具有受温度限制的缺陷，金属密封能适应较高的工作温度。采用金属密封的阀门一般比弹性密封的阀门寿命长，但很难做到完全密封。常用的蝶阀有对夹式蝶阀和法兰式蝶阀两种。
蝶阀结构存在的缺陷为，阀门开启时蝶板也占有介质通道，影响流量，密封面一直受到压力气体及飞灰冲刷，时间一长就会出现密封面被冲刷磨损导致密封不严，影响气力输送系统的正常运行。蝶阀内漏状况出现后必须及时更换新的阀门，否则会造成气动头的损坏。因为蝶阀价格较低，初期投入比较少，一般用作进气阀和排气阀（介质为含少量粉尘的压缩空气），但一般不宜用作进料阀和出料阀等介质多为颗粒粉料的场合。另外，由于蝶阀的结构和密封材料的限制，一般用于密封要求不是很高的地方，不宜用于高温、高压的管路系统中。
2.2.2 夹管阀
如图8、图9所示，夹管阀有两种连接形式：法兰连接和螺纹连接。
DN10-50口径的夹管阀，可选用螺纹连接方式，DN40-DN250可以选用法兰连接形式
夹管阀的优点是：无阻碍流道、低流阻、无阻塞、100%关断密封、低耗气量、重量轻。

广泛应用于有颗粒、粉末、纤维、粘浆等磨损性物质的化工、纸浆、造纸、食品、电力、再循环、水处理、矿物加工等行业。
夹管阀控制简单，比较经济，夹管更换方便，通常选用夹管阀作为排气用阀。由于夹管为橡胶制品，其耐磨和耐温性能均不及圆顶阀。可以根据使用工况的不同来选择排气阀，在使用温度不高，物料磨琢性不强的情况下，选用夹管阀性价比较好；高温或物料磨琢性较强的情况下，可选用双插板阀、球阀、蝶阀、以及圆顶阀，但是球阀、蝶阀相对寿命较短；双插板阀寿命较之球阀、蝶阀长，但是体积较大，动作不灵活；圆顶阀使用寿命最长，维护方便，只是价格较高，但总的性价比还是很好的。
2.3进气用阀
常作进气用阀有蝶阀、球阀、角座阀等。进气用阀的输送介质为压缩空气，所以对耐磨蚀性要求不高。以上三种阀门都是比较经济适用的阀门。下面就简单介绍下角座阀。
2.3.1 直流式气动控制阀(角座阀)
角座阀常用规格为DN10至DN65，根据连接形式一般可分为螺纹连接和焊接式两种；根据控制形式可分为单作用角座阀和双作用角座阀。见图10。

图10 角座阀结构与流向
阀体材质为不锈钢，阀座密封材质主要为PTFE，适用介质为水、中性气体或液体、酒精、油 、有机溶剂、水蒸气、弱酸或弱碱溶液等，适用温度范围-100℃~180℃，适用压力范围为≤１.６ＭＰa（0-16bar。）
一般在气力输送系统中，都选用螺纹连接的、单作用角座阀。当然不同的输送系统可以根据需要来选用。

2.4出料用阀的选择
当输送设备充满物料后，开启进气阀和出料阀，让物料在压缩空气的驱动下在输送管道系统内输送。所以出料阀的介质为混有压缩空气的粉状物料。作为出料阀的阀门一般有双插板阀、球阀、圆顶阀等，基本和进料阀类似。这里就不多描述了。

2.5分路用阀的选择
分路阀可以起到分流和汇流的作用。也就是将物料从多点汇集到一点或者将物料从一点分散到多点。作为分路阀的有球阀或蝶阀，也有各厂家自制的分路阀。
2.5.1 下图所示为球阀或蝶阀组合的分路阀。
这种组合的分路阀既可用于管路安装，也可用于库顶安装。一般用于库顶安装时，阀阀门入口需要连接弯头，库顶还需装个小的卸灰仓，以适当扩大物料通道，减少灰库扬尘。

2.5.2 图12所示为库顶的分路阀。
顾名思义，库顶分路阀一般用于库顶安装。库顶分路阀安装于多个收料点的除最后一个收料点的库顶。如图所示，阀门通过气缸带动导向板上下运动，当导向板处于上位时（见图12a），挡住直通管的通道，灰直通到该阀所处的灰库；当导向板处于下位（见图12b），输料管连通，物料进入该阀所处灰库的下一灰库。因为该阀的结构特点，物料进入灰库前不需要通过弯头连接，在出口处也不需要卸灰仓。因此大大降低了分路阀的安装高度，减少了维修部件。该阀的运动件——导向板，选用耐磨材料制成，寿命较长，也易于更换。

2.5.3 图13所示为管路分路阀。
该阀由分路阀阀体及两个控制阀组成。一般用于输灰管路上的分流或汇流。控制阀根据使用工况，可以选用圆顶阀和夹管阀或者其他阀门。具体选型可以参照上述圆顶阀和夹管阀等阀门的介绍。

3.结语
本文主要描述了气力输送系统中一些主要阀门的选择，分析了各种阀门的结构特点与使用效果及改进方向，达到正确使用和合理选择气力输送系统用阀门的目的。
参考文献：
1. 王刚, 万凤元, 蒋学典, 气力输灰系统进出料阀的改进与优化。
2. 杨源泉，阀门设计手册［Ｍ］，北京：机械工业出版社。

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