切换阀

安装在换热器热端的气动开关阀

切换阀(强制阀)是安装在切换式换热器(或蓄冷器)热端的气动开关阀，利用连杆结构原理实现阀板的启闭。

设备介绍

切换阀的开关是由通过电磁阀来的信号压缩空气控制的。根据在流程中起的作用不同，有空气、污氮切换阀，纯氮抑制阀、污氮三通阀等。从结构型式分，有立式和卧式两种。立式切换阀又可以分为气开式和气闭式两种。气开式是指信号压缩空气断气时，阀瓣依靠自重能自动打开；反之为气闭式。气开、气闭的选择由装置的安全性确定。氮气切换阀用气开式，空气切换阀用气闭式。

由于切换阀的动作是由电磁阀来控制的，除了注意选择气开、气闭式，以防止气源故障带来危害之外，还应注意电磁阀状态与切换阀状态的配合，以使电源发生故障时不致危及设备安全。现分别说明如下：

1、污氮切换阀。当四通电磁阀有电时，切换阀关闭。失电时，切换阀开。而且当电源失电时，气源失压时，也能借自重打开。从而保证了出现故障时，上塔气体能通过蓄冷器放空，不致造成超压。

2、空气切换阀。当四通电磁阀有电时，切换阀打开。失电时，切换阀关闭。当控制电源故障失电时，切换阀关闭；当控制气源故障失压时，切换阀借自重关闭，保证出现故障时原料空气不进入空分塔。

3、污氮(纯氮)三通切换阀。四通电磁阀有电，三通切换阀处于排送位置；四通电磁阀失电，三通切换阀处于放空位置。当电源故障失电时，三通切换阀处于放空位置；当气源故障失压时，三通切换阀能借自重处于放空位置。

三杆式切换阀

国内空分设备规模不断大型化，对配套的分子筛纯化系统切换阀门提出了新的技术要求，除了要求切换阀门密封性能好、运行可靠性高外，提出了需长周期运行免维护、防止分子筛冲床的一系列要求。由于受结构影响，单偏心蝶阀要定期更换易损件、三偏心蝶阀不能很好地进行最大压差控制，使得两者用于大型空分设备尤其40000 m3/h等级以上空分设备时受到一定的限制。三杆式切换阀(简称：三杆阀)作为一种新型的切换蝶阀，采用四连杆结构原理，使其在背压作用下具有良好的密封性能，并有可靠性较高和使用寿命较长的特点。最主要的是三杆阀可以很好地限制最大开启压差，有效防止分子筛冲床。三杆阀具有的特点使其广泛用于大型空分设备的分子筛纯化系统中。国内大型空分设备使用的三杆阀，大多还依赖进口。但进口阀门交货期长、价格偏高、成套成本较高。国内空分设备阀门的专业生产厂家对三杆阀进行了研制，产品已在40000 m3/h 空分设备上投用，效果良好。

工作原理

三杆阀是利用四连杆结构原理实现阀板的启闭。阀门分为主阀部分与驱动装置部分。主阀部分主要由阀杆、主动杆、从动杆、固定杆和阀板组成。由阀门的驱动装置带动阀杆及主动杆转动，同时驱动由主动杆、从动杆和阀板组成的连杆机构(如图1所示)运动，使阀板实现启闭动作和可靠的密封。在阀门开启初始，阀板先是平移运动，在达到一定距离后开始翻转，完成阀板由垂直位置到平行管道中心位置的开启动作(如图2所示)，关闭过程正好相反。

结构和特点

（1）三杆阀的优点

三杆阀与其他类型蝶阀相比有三个明显优点。

①三杆阀可实现最大开启压差保护，即在低于设定压差下阀门才可以开启，可以有效防止在分子筛吸附器切换操作失误时阀门前后压差过大，瞬时大气流冲击分子筛床层的危害发生。三杆阀工作时，介质由阀板背面流向正面，即阀板受背压。开启时阀板与阀体无相对摩擦，作用力矩主要是克服介质在阀板上的作用力和传动部分的摩擦力。前者占主要，背压越大，所需执行机构力矩越大，通过设定执行机构输出力臂及输入气源，可以设定最大开启压差，从而保证超过设定压差时，阀门不能打开，避免在较大压差下发生分子筛冲床事故。而普通蝶阀中，阀板与阀体之间往往有相对摩擦，其启闭力矩除了阀杆部分的摩擦力矩外，密封面的摩擦力矩会较大；而且摩擦力矩的大小难以正确地计算，如果根据前面设置执行机构输出力矩方式来设定最大开启压差，无论在理论上还是实际的应用中都较难实现，因此普通蝶阀无法靠阀门自身控制最大开启压差。

②阀板与阀体密封面无摩擦，使用寿命长，适用于要经常启闭的场合；并且可以工作在较大的温度范围(-40+450℃)。三杆阀开启瞬间先做平移运动，关闭瞬间是平移靠向阀体密封面，启闭过程中阀板密封面与阀体密封面无任何摩擦，密封面采用硬面密封或石墨密封圈密封。因此，三杆阀运行寿命长，可以有效地减少因检修而从管道上拆下阀门的几率。而普通蝶阀由于阀瓣与阀座之间是一对摩擦副，必然存在磨损，需要定期从管道上拆下后更换密封副。

③三杆阀具有自清洁特点。三杆阀密封面所在的平面垂直于阀体中心线，小颗粒杂质会被气流吹走，不会滞留在密封面上; 而且阀板在开启过程是先平移运动，不会将垃圾挤压到密封面中。

与普通蝶阀相比的不足之处在于：由于三杆阀传动部分相对复杂，会占据一定的阀体流道；而且三杆阀采用平面密封，这在一定程度上也减小了阀体流通面积。这些都会使得其流通能力比同口径的普通蝶阀小，阀门流动系数CV值会小一些。所以，为了保证阀门的流通能力不变，在选择时往往会考虑口径大一档的阀门，这样会增加投资成本。另外，三杆阀的结构较复杂，体积也较大，适合用在DN600 mm以上的场合。

（2）三杆阀的结构特点

国内外广泛使用的三杆阀的基本结构有长杆型和短杆型两种。两种结构阀门的运动轨迹基本相同，但因结构形式不同，具体的性能特点有所不同。两种三杆阀的基本结构如图3、4所示。

①两种结构三杆阀的最大不同点在于传动轴与阀板中心线的距离即中心距不同。正是由于中心距不同，导致了阀门的最小驱动力矩不同。

②从阀门的结构示意图中可以看出，短杆三杆阀的传动轴位于流道内，而长杆三杆阀的传动轴位于流道外，只有连接板位于通道内，所以，短杆三杆阀的流通能力小于长杆三杆阀的流通能力。长杆三杆阀的传动轴位于流通管道之外，可以有效地避免介质的冲刷和温度影响，所以，长杆三杆阀较能适应更高的介质温度。从实际的使用过程中可以发现，阀门由关闭状态到全开状态，长杆三杆阀转过的角度小于短杆三杆阀转过的角度，所以，长杆三杆阀的启闭时间少于短杆三杆阀的启闭时间。

主要特点

①杭氧工装研制的三杆阀采用长杆式四连杆机构，主阀杆位于管道通径之外，避免了阀门开启时介质对主阀杆的直接冲刷，既增大了阀门的流通能力，同时可以防止介质中的不洁净物质黏在转轴上，延长了阀门的使用寿命，并能适应各种恶劣工况；而且这种结构保证了主阀杆只需转动更小的角度就能使阀门全开，缩短了阀门的启闭时间；同时可以驱动部分气缸力臂进行调节，实现最大开启压差保护。

②采用软密封结构：阀座采用石墨碳素纤维盘根、阀板密封面采用堆焊不锈钢材料。使用石墨碳素纤维盘根材料，可以满足分子筛再生温度达到290℃时的使用要求，密封性能达到Ⅵ级；而普通蝶阀在温度高于250℃时，无法达到Ⅵ级密封。

③阀门内部传动连杆均采用不锈钢材质，可以有效防止传动件生锈腐蚀，大大延长了阀门的使用寿命。

④阀门内部的传动部分轴承都采用具有自润滑功能的DU轴承，不需添加任何油脂，可避免因阀门加入润滑油、润滑脂而造成后续空分流程中油脂的污染。

⑤流通能力尽可能放大，如国外某公司生产的DN700 mm和DN800 mm阀门的通径分别为625 mm 和715 mm，杭氧工装研制的DN700 mm和DN800 mm阀门的通径分别为630 mm和730 mm，尽可能增加了阀门的流通能力。

⑥阀门结构长度加长，该结构能保证在阀门开启时阀板都在阀门内部，不会进入到管道中，避免因为管道安装偏心，使阀板运转时与管道发生卡阻，保证阀门启闭过程更为平稳。

故障和改进

原理及故障

切换阀由气体过滤器、电磁阀、三通阀组成。如图5所示。当时间继电器给出一个信号，电磁阀2通电时，少量压缩空气经过滤器、电磁阀进入三通阀气缸B腔内，在导向活塞两端压差作用下，导向阀盘向右移动，5-6阀盘压死了压缩空气(正流)进板式蓄冷器通道A→D。塔内返流气体(废氮或废氧)经D→C排出塔外。当时间继电器给出另一个信号时，电磁阀断电，切断少量压缩空气进入三通阀的通道，同时气缸B腔内的气体从电磁阀另一通道排入大气，此时正流空气在导向活塞右端压力差作用下，迫使导向阀盘向左移动，7-8阀盘切断了D→C通道，使返流气体不能排出，于是正流空气经A→D通道进入板式蓄冷器。如果时间继电器再有相反的信号给电磁阀时，导向阀盘又回到第一次工作的位置(即正流气体不能进板式蓄冷器，返流气体排出塔外)。如此两只切换阀循环不断地配合工作，达到正流气体与返流气体在板式蓄冷器内流通互换以连续清除进塔空气中的水分及二氧化碳之目的。切换时间一般控制在2-3分钟。

如果切换阀卡死，即三通阀A→D通道与D→C通道不能切换(三通阀导向阀盘卡在左、右极端)或A→D通道与D→C通道互通(三通阀导向阀盘卡在中间任一位置，5-6、7-8两阀盘均无关死通道，此现象为最常见)，使板式蓄冷器不能正常工作，工况将被破坏。

在工厂试车和部队使用中，经常发生切换阀卡死故障，有时一次制氧中卡死的次数高达10-15次，严重影响了工作效率和经济效益。

卡死原因

（1）气缸和的同轴度超前而卡死。此故障除了加工质量问题外，主要是总装中三通阀阀体变形引起的。原三通阀A、D、C三个通道均与直径55 mm×2 mm的黄铜管通过法兰盘联接，这些管子在弯曲成形和焊接中尺寸误差较大，强迫装配的现象时有发生，从而导致阀体变形。

（2）橡胶密封圈过期老化变形或磨损而卡死；或停放时间过长，局部锈蚀或气缸B腔放气通路(主要是电气阀通气口)被外来物堵塞。

（3）导向活塞上的密封槽偏浅，而配装的橡胶密封圈又往往偏粗，使密封圈压缩量过多造成摩擦力过大，活塞容易被卡住。

（4）导向阀盘在左、右快速切换运动中，阀盘撞击力大，辅助活塞因为是“软联接”(阀片7与辅助活塞9之间，夹装有密封垫圈8)，导向活塞在运动中，固定螺母10经常松动，致使导向活塞倾斜而卡住；另外，安装辅助活塞阀片处活塞杆的轴肩太小(图样上只有1 mm，而因加工R的存在，实际轴肩还小于此尺寸，这样就很难保证辅助活塞与活塞杆轴线垂直，而使活塞卡住。这一设计缺陷是造成活塞卡住的主要原因之一。

（5）导向活塞向左运动时推力偏小，当密封圈发腻及气缸内有垃圾(如橡胶圈磨损掉下的橡胶末等)，活塞就很易卡住。

改进措施

（1）减小三通阀阀体变形。1982年起三通阀阀体壁厚加大，以增加强度。1997年将三通阀的全部通道硬联接改为D、C通道硬联接，A通道加接波纹管过渡，从而大大减小了阀体的变形，较有效地防止了三通阀在工作前期卡死故障的发生。

（2）从1998年下半年开始，将部分改变三通阀导向阀盘的设计。减小导向阀盘的运动阻力。将导向阀盘密封增加深0.15 mm，以改变密封圈的装配压缩量，在不影响气密性的前提下，使活塞运动阻力下降。

（3）改辅助活塞“软联接”为“硬联接”，避免活塞松动倾斜。适当加大活塞杆的尺寸，由原直径12 mm改为直径13.4 mm从而增大了轴肩；辅助活塞由内凹型改为中凸型，使辅助活塞与阀片直接联接。这样既较好地保证了阀片、活塞端面与活塞杆轴线的垂直度，又使固定螺母不易松动。在用设备可在阀片与辅助活塞之间加一两端面互相平行，外径为20 mm、内孔为10 mm、厚为3 mm的黄铜垫圈，并将密封垫圈内孔扩至20mm，按原序装配即成。

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