高溫高壓電站平板閘閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1、高溫高壓電站平板閘閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算南通市電站閥門(mén)有限公司 張建華 徐相蘭 王曙光 關(guān)鍵詞 楔式閘閥 平板閘閥 設(shè)計(jì)計(jì)算摘 要：通過(guò)對(duì)現(xiàn)行楔式雙閘板（彈性）結(jié)構(gòu)電站閘閥存在問(wèn)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(jī)組主汽參數(shù)已達(dá)242MPa、溫度538566，1000MW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(mén)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(lèi)機(jī)組得到廣泛的應(yīng)用。 這類(lèi)閥門(mén)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(kāi)啟，其承壓性能、密封性能、動(dòng)作性能、使用壽命、

4、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(mén)故障的停機(jī)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(wèn)題 長(zhǎng)期以來(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)?，F(xiàn)在許多亞臨界機(jī)組還在使用，不少閥門(mén)廠家的主流設(shè)計(jì)也是這類(lèi)結(jié)構(gòu)。但多年的運(yùn)行實(shí)踐暴露出許多問(wèn)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(kāi)啟瞬間存在很大靜摩擦力，使得開(kāi)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(guò)大的關(guān)閉力矩極易造成密封面或閥門(mén)

5、承載零件的損壞，縮短閥門(mén)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(kāi)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(mén)還是電動(dòng)閥門(mén)，一般均未考慮開(kāi)關(guān)指示裝置，也無(wú)法精確設(shè)置開(kāi)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(guò)緊就是過(guò)松，過(guò)緊會(huì)導(dǎo)致咬死或擦傷密封面，過(guò)松則易引發(fā)內(nèi)漏。很難準(zhǔn)確調(diào)正位置，為閥門(mén)故障埋下先天隱患。 4下游側(cè)密封面極易擦傷這類(lèi)閥門(mén)的典型故障是

6、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(mén)中最為普遍。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(lèi)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(wèn)題有：閥桿根部退刀槽或銷(xiāo)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(xiàn)1，2）問(wèn)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(mén)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(lèi)彈性閘板，兩側(cè)密封面角度要求極高，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)工藝性要求極高。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

8、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(kāi)啟式先行開(kāi)啟旁路閥門(mén)，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(kāi)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(mén)尤

9、其適用。4.安全性大大提高閥門(mén)設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)位置指示及限制裝置，不會(huì)發(fā)生開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)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(mén)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

10、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：（一）壁厚計(jì)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(yīng)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(jì)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(duì)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(jì)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(qiáng)度和剛度驗(yàn)算 閘板中心處的彎曲應(yīng)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(yīng)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(qiáng)度及開(kāi)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'=QMJf'M-QG （kg） (4-1)開(kāi)啟時(shí)閥桿作用于閘板上的力為：Q= QMJfM-QG （kg） (4-2)式中：f'M關(guān)閉時(shí)密封面摩擦系數(shù)取0.3 fM開(kāi)啟時(shí)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(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)

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(kāi)啟時(shí)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(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)

14、閉時(shí)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(kāi)啟時(shí)閥桿的總扭矩MFZ=MFL+Mg (kg-cm) (4-9)式中：Mg開(kāi)啟時(shí)軸承摩擦力矩 (4-10)式中：MFL開(kāi)啟時(shí)閥桿螺紋摩擦扭矩 MFL= QFZR'FM (kg-cm) (4-11)式中：R'FM開(kāi)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： （） (4-12) 式中：FN 螺紋內(nèi)徑斷面處面積。 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為： （） (4-13)式中：WN閥桿最小抗扭斷面系數(shù) 合成應(yīng)力： （） (4-14)B、開(kāi)啟時(shí)閥桿強(qiáng)度驗(yàn)算拉應(yīng)力為： （） (4-15)扭應(yīng)力： （）

15、(4-16) 合成應(yīng)力： （） (4-17)（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)最大軸向力 Fy單牙螺紋受擠壓面積 n螺紋的計(jì)算圈數(shù) ZY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 材料的許用剪應(yīng)力3、螺紋根部彎曲應(yīng)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(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(lèi)閥體配置零件材料選項(xiàng)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(yùn)行要求啟閉該類(lèi)閥門(mén)應(yīng)遵循嚴(yán)格的啟閉規(guī)程，即：開(kāi)啟時(shí)旁路先行原則，旁路開(kāi)啟后才能降低閥門(mén)前后壓差，進(jìn)而降低開(kāi)啟力矩，保護(hù)密封面，延長(zhǎng)閥門(mén)使用壽命；關(guān)閉時(shí)則反之，閘板關(guān)閉后再關(guān)