切换阀
切换阀，又称强制阀，是一种安装在切换式换热器或蓄冷器热端的气动开关阀。它利用连杆结构原理实现阀板的启闭。
设备介绍
切换阀的开关由电磁阀控制的信号压缩空气控制。根据在流程中所起的不同作用，切换阀可分为空气、污氮切换阀，纯氮抑制阀、污氮三通阀等多种类型。从结构型式来看，切换阀可分为立式和卧式两种。其中，立式切换阀还可细分为气开式和气闭式两类。气开式切换阀在信号压缩空气断气时，阀瓣能够借助自身的重量自动打开；而气闭式切换阀则与此相反。气开、气闭的选择取决于装置的安全性。通常情况下，氮气切换阀采用气开式，而空气切换阀则采用气闭式。此外，需要注意的是，切换阀的动作由电磁阀控制，因此在选择气开、气闭式的同时，还需确保电磁阀状态与切换阀状态的协调一致，以便在电源或气源发生故障时，保障设备的安全。具体来说，污氮切换阀在四通电磁阀有电时关闭，失电时打开，并能在电源和气源同时失效的情况下，借助自重打开，从而保证上塔气体能够通过蓄冷器放空，避免超压情况的发生。空气切换阀的情况则恰好相反，当四通电磁阀有电时，切换阀打开，失电时关闭。在电源故障失电时，切换阀关闭；而在气源故障失压时，切换阀能够凭借自重关闭，从而确保在故障状态下，原料空气不会进入空分塔。至于污氮（纯氮）三通切换阀，则是在四通电磁阀有电时处于排送位置，失电时处于放空位置。同样地，当电源故障失电时，三通切换阀处于放空位置；而当气源故障失压时，三通切换阀能够借助自重处于放空位置。
三杆式切换阀
随着国内空分设备规模的不断扩大，对于配套的分子筛纯化系统的切换阀门提出了新的技术要求。除了要求切换阀门具备良好的密封性能和较高的运行可靠性外，还需要它们能够在长周期内免维护运行，并能有效防止分子筛冲床。传统的单偏心蝶阀和三偏心蝶阀在应用于大型空分设备尤其是40000 m³/h等级以上的设备时受到了一定的限制。在这种背景下，三杆式切换阀应运而生。三杆阀采用了四连杆结构原理，不仅在背压作用下具有良好的密封性能，而且还具有较高的可靠性和较长的使用寿命。最重要的是，三杆阀能够很好地限制最大开启压差，从而有效防止分子筛冲床事故的发生。目前，国内大型空分设备普遍使用三杆阀，但由于大部分仍依赖进口，导致交货期长、价格昂贵，增加了成套成本。国内的一些专业阀门生产厂家已经成功研制并生产出了三杆阀，并已在国内40000 m³/h级别的空分设备上投入使用，取得了良好的效果。
工作原理
三杆阀的工作原理是利用四连杆结构原理实现阀板的启闭。阀门包括主阀部分和驱动装置部分。主阀部分主要包括阀杆、主动杆、从动杆、固定杆和阀板。阀门的驱动装置通过带动阀杆及主动杆转动，进而驱动由主动杆、从动杆和阀板组成的连杆机构运动，从而使阀板实现启闭动作和可靠的密封。在阀门开启初期，阀板首先进行平移运动，随后开始翻转，最终完成阀板由垂直位置到平行管道中心位置的开启动作。关闭过程则是反向的。
结构和特点
优点
三杆阀相对于其他类型的蝶阀具有三个显著的优势。首先，三杆阀能够实现最大开启压差保护，即在低于设定压差的情况下，阀门才能开启，从而有效防止因分子筛吸附器切换操作失误而导致阀门前后压差过大，瞬时大气流冲击分子筛床层的危害发生。其次，三杆阀的阀板与阀体密封面没有摩擦，使用寿命长，适用于频繁启闭的场合，并且可以在较大的温度范围内（-40°C至+450°C）工作。第三，三杆阀具有自清洁特性，其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中先进行平移运动，不会将垃圾挤压到密封面中。
不足之处
尽管三杆阀具有诸多优势，但也有一些不足之处。由于其传动部分较为复杂，占据了部分阀体流道，而且采用平面密封，这些因素都会降低其流通能力，使得阀门的流动系数C值较小。因此，在选择时，通常需要考虑口径稍大的阀门，这可能会增加投资成本。此外，三杆阀的结构复杂，体积较大，更适合在DN600 mm以上的场合使用。
结构特点
三杆阀的基本结构有两种，分别是长杆型和短杆型。这两种结构的阀门运动轨迹大致相同，但在具体性能方面有所差异。长杆型三杆阀的传动轴位于流道外部，而短杆型三杆阀的传动轴位于流道内部。这种区别导致了阀门的最小驱动力矩不同。长杆型三杆阀的传动轴位于流通管道之外，能够有效避免介质的冲刷和温度的影响，因此更能适应高温环境。在实际使用中，长杆型三杆阀的启闭时间相对较短。
主要特点
杭州氧气厂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，提高了阀门的流通能力和使用寿命，并能适应各种恶劣工况。此外，这种结构还能保证主阀杆仅需转动更小的角度即可使阀门全开，缩短了阀门的启闭时间。阀门内部的传动部分轴承均采用具有自润滑功能的DU轴承，无需添加油脂，避免了后续空分流程中可能存在的油脂污染问题。阀门的流通能力得到了尽可能的放大，例如，与国外同类产品的比较显示，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，流量能力得到提升。阀门结构长度加长，确保阀门开启时阀板始终在阀门内部，避免因管道安装偏心而导致阀板运转时与管道发生卡阻，保证了阀门启闭过程的平稳性。
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。当时间继电器发出信号时，电磁阀通电，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，关闭了压缩空气（正流）进入板式蓄冷器的通道A→D。塔内返流气体（废氮或废氧）经D→C排出塔外。当时间继电器再次发出信号时，电磁阀断电，切断了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，关闭了D→C通道，使返流气体不能排出，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的目的。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），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
切换阀卡死的原因主要有以下几点：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
针对切换阀卡死的问题，采取了一系列改进措施：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。