大口徑高溫高壓整體鍛制截止閥的設計

　　介紹了大型火電鍋爐機組用整體鍛制截止閥的結(jié)構(gòu)特點、工作原理及性能，論述了截止閥的使用與維護方法，及主要零部件的材料選用。

　　1、概述

　　近年來，隨著高參數(shù)、大機組及超臨界火電機組大量投產(chǎn)運行，對發(fā)電機組的性能要求越來越高。截止閥是保證機組安全和經(jīng)濟運行的重要配套裝置之一，其中主給水截止閥的作用是不間斷的向鍋爐給水管道輸送不飽和水，保證鍋爐正常運行。由于主給水截止閥在高溫高壓下操作，根據(jù)工況系統(tǒng)的要求，設計了整體鍛造大口徑截止閥。

　　2、工作原理

　　截止閥( 圖1) 由閥體、大閥瓣、小閥瓣、閥蓋、均壓環(huán)、四分環(huán)和閥桿等組成。由于截止閥公稱通徑較大，為減小閥門啟閉力矩，閥瓣采用大閥瓣與小閥瓣組合結(jié)構(gòu)。介質(zhì)流通方向為高進低出。閥門開啟時，先由閥桿提升小閥瓣，小閥瓣受力面積小，易于開啟。在小閥瓣提升過程中，閥門兩端壓差逐漸減小，隨著閥桿的繼續(xù)上升，再帶動大閥瓣的開啟。這種結(jié)構(gòu)減輕了啟閉瞬間介質(zhì)對閥桿和閥瓣的損傷，避免了大口徑截止閥啟閉力矩大的缺點，降低了執(zhí)行器的力矩和制造成本。為了保證小閥瓣和閥桿連接的可靠性、靈活性和萬向性，又方便裝卸，小閥瓣采用T 形槽連接。

1. 閥體2. 大閥瓣3. 小閥瓣4. 閥桿5. 閥蓋6. 自密封填料7. 均壓環(huán)8. 四分環(huán)9. 壓板

圖1 主給水截止閥

3、主要技術(shù)參數(shù)

　　公稱尺寸：200mm

　　公稱壓力：32MPa

　　設計溫度：250℃

　　管道規(guī)格：Φ223 × 12. 7 mm

　　適用介質(zhì)：水、蒸汽

　　連接形式：對焊連接

　　驅(qū)動方式：錐齒輪傳動

4、設計

　　截止閥設計時采用ASME B16. 34 和GB /T12221 等相關(guān)標準。由于截止閥的壓力- 溫度額定值符合ASME B16. 34 的特殊級，用插值法得出32MPa 對應的壓力級為Class 2 000。閥體和閥蓋的連接采用內(nèi)壓自緊( 伍德) 密封結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力越高，閥蓋密封性能越好。截止閥受結(jié)構(gòu)因素影響，流阻大，壓降高，閥瓣與閥座密封面材料既要耐腐蝕、耐沖刷，又要保證在高溫時的硬度，因此，密封面堆焊硬質(zhì)合金( stellte No. 6) ，增強其耐磨性和抗擦傷性，提高密封面的使用壽命。截止閥通過錐齒輪傳動裝置帶動閥桿升降運動，實現(xiàn)閥門的啟閉。在全開狀態(tài)時，閥瓣完全提起，并略高于出口通道的中心線，使閥門的壓降小。

　　按ASME B16.34 要求，閥體壁厚用內(nèi)插法選取為50mm。閥體頸部最小壁厚( 圖2) t' = 75mm。各零部件尺寸確定后，對閥體頂部、閥桿和閥蓋等進行強度校核。

圖2 閥體頸部最小壁厚

5、材料

　　閥體由毛坯鋼錠整體鍛造成型，閥門內(nèi)腔零部件采用鍛件或板料。閥體在大型鍛壓設備上采取自由鍛的形式，經(jīng)過鐓粗→拔長→沖孔→擴孔→壓肩→壓痕→倒棱→校直等，使鍛件外形接近長方形。鍛造閥體經(jīng)粗加工→整體熱處理→消除熱處理應力→閥體整體超聲波探傷→精加工→整體著色檢查合格后與其他零部件組裝。

　　閥桿選用38CrMoAlA 氮化合金鋼，其有很好的氧化性能與力學性能，氮化處理后有高的表面硬度達1 100 ～ 1 200HV，并有較高的疲勞強度和高溫許用應力，可以減小閥桿直徑，使截止閥整體結(jié)構(gòu)緊湊。截止閥主要零部件材料見表1。

表1 主要零件材料

6、結(jié)構(gòu)特點

　　(1) 大閥瓣、小閥瓣分別與閥體中腔及大閥瓣內(nèi)孔間隙配合，方便導向�？梢员苊庠诟邏翰钕麻y門啟閉時，閥瓣被流體推向一側(cè)，導致閥瓣與閥座密封失效，也可避免在極端條件下，閥桿彎曲。同時閥瓣在閥體內(nèi)導向，可保持閥瓣密封面和閥座的同軸度。由于利用了導向的功能，閥體與閥瓣的間隙較大，使閥瓣升降靈活無卡阻。

　　(2) 由于閥門開啟時小閥瓣先開啟，降低了閥門的開啟力矩，既降低了錐齒輪傳動裝置的力矩，減少了傳動裝置的成本，又減小密封面的磨損。

　　(3) 在閥體中腔與自密封填料接觸處堆焊Stellite合金，防止在高溫及自密封填料強烈腐蝕下，造成閥體中腔內(nèi)壁磨損，可有效的保證中腔的密封。

　　(4) 閥桿密封采用柔性石墨編織填料和柔性石墨環(huán)，其中首圈和底圈采用柔性石墨編織填料，中間圈填料采用柔性石墨環(huán)，以防止石墨受壓后擠入閥體中腔。在填料安裝時，應對填料逐個預壓，以維持填料良好的密封性。

　　(5) 閥桿與立柱之間加裝導向塊，保證閥桿只作升降運行不做旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，減小對填料的磨損，保證填料的密封性能。

7、使用及維護

　　截止閥應垂直安裝，閥體上所標注的箭頭為介質(zhì)實際運行流向。在安裝現(xiàn)場必須留出操作和維修的空間。閥蓋部位不宜包裹保溫層，以便填料部位盡可能充分自然冷卻，保證填料密封安全、可靠。閥門出廠時，在閥體與管道連接的坡口處涂有防銹涂料，在與管道焊接前應將防銹涂料、油污及灰塵清理和清洗干凈，注意不要損傷閥體坡口。閥門的錐齒輪傳動裝置應采取保護措施，防止損傷及誤操作。阻止大氣中的灰塵、化學物質(zhì)或潮濕氣體對閥桿螺紋及傳動裝置的侵蝕而使其啟閉失效。螺紋、軸承或齒輪等的工作區(qū)域應定期潤滑。

8、結(jié)語

　　大口徑高溫高壓整體鍛件截止閥啟閉件密封結(jié)構(gòu)可靠，小閥瓣的先開啟，使得啟閉力得到了極大的減小，降低了執(zhí)行器的成本。經(jīng)過各項檢驗，性能良好，在長期的工作狀態(tài)下可實現(xiàn)零泄漏，提高了閥門的使用壽命，對穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和保障配套設施的安全運行具有積極的作用。