高溫高壓電站平板閘閥的設計與計算

1、高溫高壓電站平板閘閥的設計與計算南通市電站閥門有限公司 張建華 徐相蘭 王曙光 關鍵詞 楔式閘閥 平板閘閥 設計計算摘 要：通過對現(xiàn)行楔式雙閘板（彈性）結構電站閘閥存在問題的分析，提出采用平板閘閥結構的改進替代方案，并給出設計計算方法，供廣大用戶及同行參考Design and calculation on high-temperature and high-pressureparallel slide gate valveZHANG Jian-hua XU Xiang-lan WANG Shu-guang (Nantong power-station valve Co.,Ltd, Nanton

2、g 226572,China)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 para

3、llel slide gate valve design and calculation一、 序言 現(xiàn)行600MW超臨界機組主汽參數(shù)已達242MPa、溫度538566，1000MW超超臨界機組主汽參數(shù)已達31Mpa、593，主給水系統(tǒng)壓力則更高。如此高參數(shù)自然對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)點在這類機組得到廣泛的應用。 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、汽輪機疏水系統(tǒng)等關鍵管線，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、動作性能、使用壽命、

4、維修周期等直接影響機組的可靠性、安全性，一旦發(fā)生故障，常常造成重大事故，嚴重威脅機組的安全運行。因為閥門故障的停機事故幾乎每家電廠都曾發(fā)生。二 、產(chǎn)品現(xiàn)狀及其存在問題 長期以來，國產(chǎn)電站閘閥仍然沿用七十年代“三化”設計的楔式雙閘板或彈性閘板結構，如圖1及圖2所示為其典型設計結構?，F(xiàn)在許多亞臨界機組還在使用，不少閥門廠家的主流設計也是這類結構。但多年的運行實踐暴露出許多問題，具體歸納如下： 1啟閉力矩較大 楔式閘板雖具有強制密封的特點，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執(zhí)行裝置，才能保證正常啟閉，無形中增加制造及運行成本；同時過大的關閉力矩極易造成密封面或閥門

5、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)，此時如關閉力矩調(diào)試不當，加上閥桿的熱膨脹，會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”。此時如強制開啟動作，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 對傳統(tǒng)楔式閘閥，無論是手動閥門還是電動閥門，一般均未考慮開關指示裝置，也無法精確設置開關位置點，用戶操作與調(diào)試只能憑經(jīng)驗與手感進行，不是過緊就是過松，過緊會導致咬死或擦傷密封面，過松則易引發(fā)內(nèi)漏。很難準確調(diào)正位置，為閥門故障埋下先天隱患。 4下游側密封面極易擦傷這類閥門的典型故障是

6、閘板下游側密封面極易擦傷，引發(fā)早期內(nèi)漏。此現(xiàn)象在大口徑或高壓差閥門中最為普遍。主要原因有：密封面高溫膠合粘滯導致比壓下降、高壓差不平衡力作用于單側密封面、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，結構可靠性不強閘板組件由上下托板、左右閘板、閘板架、頂心等十余個零件組成，結構松散，運行中發(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、； 7中腔超壓隱患 中腔超壓（文獻1，2）問題原設計未采取任何措施，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成產(chǎn)生“中腔異常超壓”的要件，采取措施消除隱患已責無旁貸。 8加工制造精度要求較高尤其是Z60Y類彈性閘板，兩側密封面角度要求極高，一般企業(yè)只能配作，產(chǎn)品無互換性，使得電廠無法現(xiàn)場更換，維修的技術工藝性要求極高。一旦密封面損傷，現(xiàn)場無從解決，用戶頗有微詞。三、平板閘閥產(chǎn)品特點針對楔式閘板閥的缺陷，結合國內(nèi)外閘閥的設計進展，我公司改進傳統(tǒng)楔式閘板結構為平行閘板結構，近年來運用于主蒸汽及主給水工

8、況取得了滿意的效果。圖3為新型平板鍛鋼閘閥結構設計簡圖，與楔式閘板閘閥相比具有以下特點：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，降低進出口壓差，使得密封面摩擦力大大降低，既保護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.密封面壽命長旁路設計實現(xiàn)了無壓差啟閉，由單側壓差引起的密封面摩擦力得以消除，啟閉階段僅有彈簧預緊力作用于密封面，因而密封面得到有效的保護，避免了早期擦傷等破壞，有效地延長了使用壽命，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發(fā)生高溫楔死現(xiàn)象，對溫差變化的適應性也很好，壓力越高密封性越好，這些特點對高溫高壓的電站閥門尤

9、其適用。4.安全性大大提高閥門設計了開關位置指示及限制裝置，不會發(fā)生開關過頭現(xiàn)象；設計了旁路啟閉裝置，有效平衡啟閉壓差，降低閥座及閘板密封面的不平衡力；左側閘板開設有泄壓孔，中腔升壓自動泄放至上游側，使閥體自動處于正常受壓狀態(tài)。閥體采用鍛鋼制造，高溫高壓無外漏隱患；5.易維護閥桿驅(qū)動力很小，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)場維修也很方便，無苛刻的角度配作要求。6.電裝調(diào)試很簡單很多電動閥門故障由電裝調(diào)試不當引起，平板閘閥僅須控制行程即可，減少許多人為故障因素，極大地降低對用戶的苛刻要求，方便現(xiàn)場操作，降低了產(chǎn)品的安裝及運行維護要求。7. 旋插式閘板設計采用新型旋

10、插式閘板結構設計，結構緊湊，零件較少，結構可靠，消除閘板脫落隱患。四、設計計算（文獻3）設計校核應注意以下幾點：平板式閘板的密封機理為依靠介質(zhì)壓力產(chǎn)生密封比壓作用于下游側密封面，因而必須考慮介質(zhì)壓力的大小來設計閥座面額寬度；閥桿主要受力為填料摩擦力、彈簧預緊力對閥座面的摩擦力，與楔式板相比閥桿直徑可小一些，不必受制于GB/T12234標準的規(guī)定；彈簧預緊力為輔助閘板貼合作用，不必太大，太大會增加閥座面摩擦力。主要計算校核項目如下：（一）壁厚計算壁厚： （1-1）式中：中腔或支管通道最大直徑 (1-2)C附加裕量定0.3-0.6Cm 材料的許用應力（)取與 兩者中較小值nb、ns分別為b、s的安

11、全系數(shù)，nb=4.25 ns=2.30（二）閥座密封比壓計算密封面上的總作用力和比壓出口端閥座密封面比壓： () (2-1)式中：閥座密封面內(nèi)徑 閥座密封面寬度式中：QMZ出口端閥座密封面上的總作用力。對于平行閘閥QMZ= QMJ QMJ密封面上介質(zhì)靜壓力 必須保證：式中：密封面必需比壓 式中：G溫度影響系數(shù)取1（常溫）-1.8（高溫）（三）閘板厚度計算（1）閘板密封面寬度：B=1.6式中：B 閘板密封面寬度（2）閘板的強度和剛度驗算 閘板中心處的彎曲應力： () （3-1）式中：RMP閘板密封面平均半徑（cm）RMP =（DMN+B）/2 C附件裕量選0.3 -0.6 （cm） W閘板材料的

12、彎曲應力 （） 閘板材料的泊桑比選取0.25變形量： （cm） (3-2) 式中：f最大許用變形量,一般控制變形量小于0.0004-0.0005cm E材料彈性模量（四）閥桿強度及開啟總扭矩計算 1. 閘板作用于閥桿的軸向力 關閉時閥桿作用于閘板上的力為：Q'=QMJf'M-QG （kg） (4-1)開啟時閥桿作用于閘板上的力為：Q= QMJfM-QG （kg） (4-2)式中：f'M關閉時密封面摩擦系數(shù)取0.3 fM開啟時密封面摩擦系數(shù)可取fM= f'M+0.1=0.3+0.1=0.4式中：QG密封機構的質(zhì)量。2. 閥桿的強度計算 （1）閥桿總軸向力A、關閉時

13、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 閥桿直徑式中：QT閥桿與填料摩擦力 QT =dFh1 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、開啟時閥桿的總軸向力 QFZ=Q-Qp+QT （kg） (4-5)（2）閥桿總扭矩 a.帶軸承明桿閘閥關閉時閥桿的總扭矩M'FZ=M'FL+M'g (kg-cm) (4-6)式中：M'FL關閉時閥桿螺紋的摩擦扭矩 M'FL= Q'FZRFM (kg-cm) (4-7)M'g關

14、閉時軸承摩擦力矩 （4-8） 式中：Dgp軸承平均直徑 fg軸承摩擦系數(shù)b.開啟時閥桿的總扭矩MFZ=MFL+Mg (kg-cm) (4-9)式中：Mg開啟時軸承摩擦力矩 (4-10)式中：MFL開啟時閥桿螺紋摩擦扭矩 MFL= QFZR'FM (kg-cm) (4-11)式中：R'FM開啟時閥桿的摩擦半徑3.閥桿強度驗算 A、關閉時閥桿強度的驗算 螺紋擠壓應力： （） (4-12) 式中：FN 螺紋內(nèi)徑斷面處面積。 扭轉(zhuǎn)應力為： （） (4-13)式中：WN閥桿最小抗扭斷面系數(shù) 合成應力： （） (4-14)B、開啟時閥桿強度驗算拉應力為： （） (4-15)扭應力： （）

15、(4-16) 合成應力： （） (4-17)（五）.閥桿螺母的計算1、螺紋表面的擠壓應力 （） (5-1)式中：QFZ常溫時最大軸向力 Fy單牙螺紋受擠壓面積 n螺紋的計算圈數(shù) ZY材料的許用擠壓應力 2、螺紋根部剪應力 （） (5-2)式中：FJ螺母單牙螺紋根部受剪面積 材料的許用剪應力3、螺紋根部彎曲應力 （） (5-3) 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)W材料的許用彎曲應力以上計算涉及材料數(shù)據(jù)可參考文獻3中有關表格資料五、主要零件材料選擇各類閥體配置零件材料選項如下表表1閥體材料最高使用溫度閥 蓋閥 座閥 桿閘 板彈 簧F22575F22F22+STL17-4PHF22+STLInconel 75012Cr1MoV57012Cr1MoV12Cr1MoV+STL17-4PH12Cr1MoV+STLInconel 750A105427A105A105+STL氮化鋼A105+STLInconel 750204502020+STL氮化鋼20+STLInconel 750F91620F91F91+STLA565Gr616F91+STLInconel 750六、旁路運行要求啟閉該類閥門應遵循嚴格的啟閉規(guī)程，即：開啟時旁路先行原則，旁路開啟后才能降低閥門前后壓差，進而降低開啟力矩，保護密封面，延長閥門使用壽命；關閉時則反之，閘板關閉后再關