電站高溫高壓平板閘閥

                           電站高溫高壓平板閘閥


                        上海申弘閥門有限公司
 
關(guān)鍵詞   楔式閘閥 平板閘閥  設(shè)計(jì)計(jì)算   電站閘閥  電站高壓閘閥
摘 要：通過對(duì)現(xiàn)行楔式雙閘板（彈性）結(jié)構(gòu)電站閘閥存在問題的分析，提出采用平板閘閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)替代方案，并給出設(shè)計(jì)計(jì)算方法，供廣大用戶及同行參考 高溫高壓電站閘閥使用溫度450-570℃，壓力PN1.6-70.0,公稱通徑15mm-300mm材質(zhì)：1Cr5Mo，12CrMorV，ZG12CrMoV廣泛用于鋼鐵、冶金、化工行業(yè)及電力、能源發(fā)電廠等設(shè)施。
Abstract: The article introduced the structural defects of existing wedge gate valve, and introduced the improvement program of parallel slide gate valve replace the wedge gate valve. In addition, it also expatiate the calculation methods of main parts. 
Key words: wedge gate valve    parallel slide gate valve   design and calculation 一、 序言 
    現(xiàn)行600MW超臨界機(jī)組主汽參數(shù)已達(dá)24．2MPa、溫度538／566℃，1000MW超超臨界機(jī)組主汽參數(shù)已達(dá)31Mpa、593℃，主給水系統(tǒng)壓力則更高。如此高參數(shù)自然對(duì)與之配套的電站閥門提出更高參數(shù)、更高可靠性的要求。閘閥以其承壓高、工作溫度高、雙向密封、口徑大、規(guī)格范圍寬、密封可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)在這類機(jī)組得到廣泛的應(yīng)用。 
    上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。這類閥門在火力發(fā)電站一般用于主蒸汽截止和隔離、主給水泵隔離、高壓加熱器隔離、汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)等關(guān)鍵管線，控制高溫高壓汽水介質(zhì)的有效切斷或開啟，其承壓性能、密封性能、動(dòng)作性能、使用壽命、維修周期等直接影響機(jī)組的可靠性、安全性，一旦發(fā)生故障，常常造成重大事故，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。因?yàn)殚y門故障的停機(jī)事故幾乎每家電廠都曾發(fā)生。


技術(shù)工藝優(yōu)勢(shì)：

1、殼體采用鍛造及鑄造兩種工藝選項(xiàng)，外觀光潔，組織均勻，滿足高溫高壓要求；視用戶需求可提供全系列全鍛鋼閘閥；
2、特殊材料配對(duì)，確保密封面高硬度及硬度差；精密研磨，光潔如鏡，耐磨耐蝕，有效延長(zhǎng)使用壽命；
3、背密封設(shè)計(jì)，有效保護(hù)密封填料，杜絕跑冒滴漏；
4、高壓水強(qiáng)度，高壓氣體強(qiáng)度，無(wú)損檢測(cè)等多道檢測(cè)，全面控制承壓件質(zhì)量；
5、閥桿表面經(jīng)精密磨削及硬化處理，抗擦傷耐腐蝕，有效地減輕啟閉力矩，操作更輕松； 
6、采用特殊緩蝕填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，耐溫耐壓，無(wú)腐蝕，自動(dòng)潤(rùn)滑，減輕啟閉摩擦，避免對(duì)閥桿表面的腐蝕，進(jìn)而免除外漏；
7、雙向承壓密封設(shè)計(jì)，滿足各類特殊工況的苛刻要求；
8、嚴(yán)格手工配研，確保雙側(cè)密封面吻合度 90% 以上，實(shí)現(xiàn)氣泡級(jí)出廠密封檢測(cè)；
9、Z60 系列*的閘板彈性槽設(shè)計(jì)，自動(dòng)補(bǔ)償加工誤差，適應(yīng)高溫工況，避免咬死； Z62Y 系列為雙閘板設(shè)計(jì)，閘板自動(dòng)矯正加工誤差，始終保持密封面 99% 吻合度，特別便于用戶現(xiàn)場(chǎng)維修保養(yǎng)； 
10、閥蓋自緊密封設(shè)計(jì)，壓力越高，密封越可靠； 

二 、產(chǎn)品現(xiàn)狀及其存在問題  
以來(lái)，國(guó)產(chǎn)電站閘閥仍然沿用七十年代“三化"設(shè)計(jì)的楔式雙閘板或彈性閘板結(jié)構(gòu)，如圖1及圖2所示為其典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在許多亞臨界機(jī)組還在使用，不少閥門廠家的主流設(shè)計(jì)也是這類結(jié)構(gòu)。但多年的運(yùn)行實(shí)踐暴露出許多問題，具體歸納如下：  


1．啟閉力矩較大   
楔式閘板雖具有強(qiáng)制密封的特點(diǎn)，然而開啟瞬間存在很大靜摩擦力，使得開啟力矩很大，必須配置較大功率的電動(dòng)執(zhí)行裝置，才能保證正常啟閉，無(wú)形中增加制造及運(yùn)行成本；同時(shí)過大的關(guān)閉力矩極易造成密封面或閥門承載零件的損壞，縮短閥門使用壽命。


  2．高溫楔死 
 高溫狀態(tài)下，材料強(qiáng)度大大降低，密封面硬度下降后密封副處于膠合粘滯狀態(tài)，此時(shí)如關(guān)閉力矩調(diào)試不當(dāng)，加上閥桿的熱膨脹，會(huì)使密封面比壓急劇增加，極易造成所謂的閘板與閥座的“咬死"。此時(shí)如強(qiáng)制開啟動(dòng)作，密封面極易被拉傷引起泄漏，甚至拉斷閥桿或閘板T形槽。  


3．電裝調(diào)試要求極為苛刻 

    對(duì)傳統(tǒng)楔式閘閥，無(wú)論是手動(dòng)閥門還是電動(dòng)閥門，一般均未考慮開關(guān)指示裝置，也無(wú)法設(shè)置開關(guān)位置點(diǎn)，用戶操作與調(diào)試只能憑經(jīng)驗(yàn)與手感進(jìn)行，不是過緊就是過松，過緊會(huì)導(dǎo)致咬死或擦傷密封面，過松則易引發(fā)內(nèi)漏。很難準(zhǔn)確調(diào)正位置，為閥門故障埋下先天隱患。   4．下游側(cè)密封面極易擦傷 
這類閥門的典型故障是閘板下游側(cè)密封面極易擦傷，引發(fā)早期內(nèi)漏。此現(xiàn)象在大口徑或高壓差閥門中為普遍。主要原因有：密封面高溫膠合粘滯導(dǎo)致比壓下降、高壓差不平衡力作用于單側(cè)密封面、啟閉瞬間的摩擦力擦傷等多重因素。 
  5．鑄造殼體，內(nèi)在缺陷很多，外漏隱患嚴(yán)重 
     殼體材料通常采用WCB、WC6、ZG20CrMoV類材料制造，鑄件的工藝水平限制，其內(nèi)在缺陷極多，一般拍片檢查很難面面俱到。砂眼、縮孔、裂紋等缺陷大量存在，為外漏、爆管等事故埋下隱患；


  6．閘板零件較多，閘板易脫落，結(jié)構(gòu)可靠性不強(qiáng) 
閘板組件由上下托板、左右閘板、閘板架、頂心等十余個(gè)零件組成，結(jié)構(gòu)松散，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)問題有：閥桿根部退刀槽或銷子孔處斷裂、閘板脫落、閘板架斷裂等故障；


  7．中腔超壓隱患 
    中腔超壓（文獻(xiàn)1，2）問題原設(shè)計(jì)未采取任何措施，即使現(xiàn)在仍有許多電廠或閥門生產(chǎn)廠仍未引起重視。發(fā)生時(shí)雖然具有偶然性，但它不以我們的忽視而隱退，也許就在你的眼皮底下發(fā)生。電廠的許多工況均構(gòu)成產(chǎn)生“中腔異常超壓"的要件，采取措施消除隱患已責(zé)無(wú)旁貸。  


8．加工制造精度要求較高 
尤其是Z60Y類彈性閘板，兩側(cè)密封面角度要求*，一般企業(yè)只能配作，產(chǎn)品無(wú)互換性，使得電廠無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)更換，維修的技術(shù)工藝性要求*。一旦密封面損傷，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)從解決，用戶頗有微詞。





三、平板閘閥產(chǎn)品特點(diǎn) 
針對(duì)楔式閘板閥的缺陷，結(jié)合國(guó)內(nèi)外閘閥的設(shè)計(jì)進(jìn)展，我公司改進(jìn)傳統(tǒng)楔式閘板結(jié)構(gòu)為平行閘板結(jié)構(gòu)，近年來(lái)運(yùn)用于主蒸汽及主給水工況取得了滿意的效果。 
圖3為新型平板鍛鋼閘閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖，與楔式閘板閘閥相比具有以下特點(diǎn)： 
1.啟閉力矩低 
平板式閘板依靠介質(zhì)壓力作為主要密封力，開啟式先行開啟旁路閥門，降低進(jìn)出口壓差，使得密封面摩擦力
大大降低，既保護(hù)了密封面又降低了開啟力矩，減小電裝功率，降低制造成本。 
2.密封面壽命長(zhǎng) 
旁路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)壓差啟閉，由單側(cè)壓差引起的密封面摩擦力得以消除，啟閉階段僅有彈簧預(yù)緊力作用于密封面，因而密封面得到有效的保護(hù)，避免了早期擦傷等破壞，有效地延長(zhǎng)了使用壽命，提高了密封可靠性。 
3.特別適用高溫高壓 
平板式閘板副不會(huì)發(fā)生高溫楔死現(xiàn)象，對(duì)溫差變化的適應(yīng)性也很好，壓力越高密封性越好，這些特點(diǎn)對(duì)高溫高壓的電站閥門尤其適用。 
4.安全性大大提高 
閥門設(shè)計(jì)了開關(guān)位置指示及限制裝置，不會(huì)發(fā)生開關(guān)過頭現(xiàn)象；設(shè)計(jì)了旁路啟閉裝置，有效平衡啟閉壓差，降低閥座及閘板密封面的不平衡力； 左側(cè)閘板開設(shè)有泄壓孔，中腔升壓自動(dòng)泄放至上游側(cè)，使閥體自動(dòng)處于正常受壓狀態(tài)。閥體采用鍛鋼制造，高溫高壓無(wú)外漏隱患； 
5.易維護(hù) 
閥桿驅(qū)動(dòng)力很小，易磨損的密封副及閥桿螺母副等零件受力情況大為改善。密封面制造或現(xiàn)場(chǎng)維修也很方便，無(wú)苛刻的角度配作要求。 
6.電裝調(diào)試很簡(jiǎn)單 
很多電動(dòng)閥門故障由電裝調(diào)試不當(dāng)引起，平板閘閥僅須控制行程即可，減少許多人為故障因素，極大地降低對(duì)用戶的苛刻要求，方便現(xiàn)場(chǎng)操作，降低了產(chǎn)品的安裝及運(yùn)行維護(hù)要求。 
7. 旋插式閘板設(shè)計(jì) 
采用新型旋插式閘板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，零件較少，結(jié)構(gòu)可靠，消除閘板脫落隱患。 四、設(shè)計(jì)計(jì)算（文獻(xiàn)3） 
設(shè)計(jì)校核應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：平板式閘板的密封機(jī)理為依靠介質(zhì)壓力產(chǎn)生密封比壓作用于下游側(cè)密封面，因而必須考慮介質(zhì)壓力的大小來(lái)設(shè)計(jì)閥座面額寬度；閥桿主要受力為填料摩擦力、彈簧預(yù)緊力對(duì)閥座面的摩擦力，與楔式板相比閥桿直徑可小一些，不必受制于GB/T12234標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；彈簧預(yù)緊力為輔助閘板貼合作用，不必太大，太大會(huì)增加閥座面摩擦力。主要計(jì)算校核項(xiàng)目如下： 




應(yīng)用規(guī)范： 

1、設(shè)計(jì)、制造：E101 
2、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度：E101 
3、對(duì)焊連接：78DG　ANSI　B16。25 
4、檢查和試驗(yàn)：E101

主要零件材料及使用范圍：

產(chǎn)品型號(hào)	Z60Y-200/250/320	Z60Y-P 55100/140/ 170V
閥 體	20/WCB	12Cr1MoV/WC6/WC9
閥 蓋	20/WCB	12Cr1MoV/WC6/WC9
閥 桿	38CrMoAlA	38CrMoAlA /25Cr2MoV
閘 板	20/WCB	12Cr1MoV/WC6/WC9
螺 栓	35CrMoA	25Cr2MoV
適 用 介 質(zhì)	水，汽，油品等	水，汽，油品等
高工作溫度	450/ 425 ℃	552/ 570 ℃

主要連接尺寸，外形尺寸及重量：

公稱通徑	連 接 尺 寸					外 形 尺 寸			重 量 （ Kg ）
	D	D1	D2	α	配管尺寸 *	L	W	H
型 號(hào)	Z60Y-200 Z62Y-200 Z60Y-P 55 100V Z62Y-P 55 100V
50 模鍛	80		60	32.5	76x8	260	400	586
80 模鍛	168	108	80	32	108x14	457	450	549
100 模鍛	170	133	101	32	133x16	457	450	550
100 自由鍛	170	133	101	32	133X16	457	450	745
125 自由鍛	195	168	128	32	168x22	457	450	745
150	225	198	154	32	194x15	700	600	821
175	240	220	183	32	219x16	750	700	890
22	300	278	233	32	273X20	900	700	990
225D 自由鍛	300	278	217	32	273X28	750	700	990
250	345	331	275	12	325X25	914		1515

* 實(shí)際配管尺寸可依合同要求加工 ;DN150 以上可選配齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

公稱通徑	連 接 尺 寸					外 形 尺 寸			重 量 （ Kg ）
	D	D1	D2	α	配管尺寸 *	L	W	H
型 號(hào)	Z60Y-250 Z62Y-250 Z60Y-P 55 140V Z62Y-P 55 140V
50 模鍛	80		56	32.5	76x10	260	400	586
80 模鍛	168	108	80	32	108x14	457	450	549

（一）壁厚計(jì)算 壁厚：??
式中：DN——中腔或支管通道大直徑 
C——附加裕量定0.3-0.6Cm [σ] ——材料的許用應(yīng)力（cm
Sσ 兩者中較小值 nb、ns——分別為σb、σs的安全系數(shù)， nb=4.25  ns=2.30 
（二）閥座密封比壓計(jì)算 密封面上的總作用力和比壓 出口端閥座密封面比壓： 


式中：G——溫度影響系數(shù)取1（常溫）-1.8（高溫） （三）閘板厚度計(jì)算 （1）閘板密封面寬度： B=1.6bM 
式中：B  閘板密封面寬度 （2）閘板的強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算   閘板中心處的彎曲應(yīng)力： 
式中：RMP——閘板密封面平均半徑（cm） 
RMP  =（D’MN+B）/2 
       C——附件裕量選0.3 -0.6  （cm）        [σW]——閘板材料的彎曲應(yīng)力 （cm
       μ——閘板材料的泊桑比選取0.25 變形量：   


(3-2)   式中：[f]——大許用變形量,一般控制變形量小于0.0004-0.0005cm        


E——材料彈性模量


（四）閥桿強(qiáng)度及開啟總扭矩計(jì)算  


1. 閘板作用于閥桿的軸向力   關(guān)閉時(shí)閥桿作用于閘板上的力為： 
Q'=QMJ?f'M-QG     （kg）                  


  (4-1) 
開啟時(shí)閥桿作用于閘板上的力為： 
Q″= QMJ?f″M-QG     （kg）                  


  (4-2) 式中：f'M——關(guān)閉時(shí)密封面摩擦系數(shù)取0.3    


  f″M——開啟時(shí)密封面摩擦系數(shù) 可取f″M= f'M+0.1=0.3+0.1=0.4 
式中：QG——密封機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。 
2. 閥桿的強(qiáng)度計(jì)算  


（1）閥桿總軸向力 A、關(guān)閉時(shí)閥桿的總軸向力： 
  Q'FZ=Q'+Qp+QT              （kg）                  


(4-3) 式中：Qp——介質(zhì)作用于閥桿上的軸向力    PFdQ
式中：QT——閥桿與填料摩擦力 
      QT =πdFh1 Z1.2Pf   （kg）                  


(4-4) 式中：h1——單圈填料與閥桿接觸高度    


  Z——填料的圈數(shù)      


f——摩擦系數(shù) B、開啟時(shí)閥桿的總軸向力 

  Q″FZ=Q″-Qp+QT              （kg）                  


(4-5) （2）閥桿總扭矩 
   a.帶軸承明桿閘閥關(guān)閉時(shí)閥桿的總扭矩 
M'FZ=M'FL+M'g                    (kg-cm)              


(4-6) 式中：M'FL——關(guān)閉時(shí)閥桿螺紋的摩擦扭矩 
 M'FL= Q'FZRFM         (kg-cm)                    


 (4-7) M'g——關(guān)閉時(shí)軸承摩擦力矩   
式中：M″FL——開啟時(shí)閥桿螺紋摩擦扭矩 
     M″FL= Q″FZR'FM         (kg-cm)                  


(4-11) 式中：R'FM——開啟時(shí)閥桿的摩擦半徑 
3.閥桿強(qiáng)度驗(yàn)算 
   A、關(guān)閉時(shí)閥桿強(qiáng)度的驗(yàn)算      螺紋擠壓應(yīng)力： 


B、開啟時(shí)閥桿強(qiáng)度驗(yàn)算 拉應(yīng)力為： 
（五）.閥桿螺母的計(jì)算 
1、螺紋表面的擠壓應(yīng)力       


(5-1) 式中：QFZ——常溫時(shí)大軸向力      


Fy——單牙螺紋受擠壓面積          


n——螺紋的計(jì)算圈數(shù)          


[σZY]——材料的許用擠壓應(yīng)力 

    2、螺紋根部剪應(yīng)力   


(5-2) 式中：FJ——螺母單牙螺紋根部受剪面積      


[τ]——材料的許用剪應(yīng)力


3、螺紋根部彎曲應(yīng)力   ??

 式中：XL——螺紋彎曲力臂 
      W——螺母單牙螺紋根部抗彎曲斷面系數(shù) 
[σW]——材料的許用彎曲應(yīng)力 
以上計(jì)算涉及材料數(shù)據(jù)可參考文獻(xiàn)3中有關(guān)表格資料





五、主要零件材料選擇 
各類閥體配置零件材料選項(xiàng)如下表 表1 
閥體材料 高使用 

六、旁路運(yùn)行要求 
啟閉該類閥門應(yīng)遵循嚴(yán)格的啟閉規(guī)程，即：開啟時(shí)旁路先行原則，旁路開啟后才能降低閥門前后壓差，進(jìn)而降低開啟力矩，保護(hù)密封面，延長(zhǎng)閥門使用壽命；關(guān)閉時(shí)則反之，閘板關(guān)閉后再關(guān)閉旁路閥門。這樣使閘板動(dòng)作基本處于無(wú)壓差狀態(tài)，嚴(yán)禁帶壓差啟閉閘板。 

七、結(jié)論 
平板閘閥適用于高溫高壓工況，具有閘板不受熱應(yīng)力變化影響、閥座磨損較均勻、操作力矩小、易維護(hù)等特點(diǎn)。特別適用于高溫高壓電站超臨界、超超臨界工況，為替代傳統(tǒng)楔式閘閥產(chǎn)品的理想結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于超臨界、超超臨界機(jī)組，具有廣闊的市場(chǎng)前景。與本文相關(guān)的論文有：中國(guó)閥門產(chǎn)值遞增  
參考文獻(xiàn)  
1．宣正發(fā) 張星華等  高壓電動(dòng)閘閥爆管原因分析   《華東電力》2006.4


2．張建華 王芳 尤廣泉  閘閥異常升壓的危害與防護(hù)   《流體機(jī)械》2009.9


3. 沈陽(yáng)閥門研究所  閥門設(shè)計(jì)  遼寧沈陽(yáng)閥門研究所   1976