高温高压电站平板闸阀的设计与计算.pdf
高温高压电站平板闸阀的设计与计算 南通市电站阀门有限公司张建华 徐相兰 王曙光 关键词楔式闸阀平板闸阀设计计算 摘 要：通过对现行楔式双闸板（弹性）结构电站闸阀存在问题的分析，提出采用平 板闸阀结构的改进替代方案，并给出设计计算方法，供广大用户及同行参考 Design and calculation on high-temperature and high-pressure parallel slide gate valve ZHANG Jian-hua XU Xiang-lan WANG Shu-guang (Nantong power-station valve Co.,Ltd, Nantong 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 parallel slide gate valve design and calculation 一、 序言 现行 600MW 超临界机组主汽参数已达242MPa、温度 538566， 1000MW 超超临界机组主汽参数已达31Mpa、593，主给水系统压力则更高。 如此高参数自然对与之配套的电站阀门提出更高参数、更高可靠性的要求。 闸阀以其承压高、工作温度高、双向密封、口径大、规格范围宽、密封可靠 等一系列优点在这类机组得到广泛的应用。 这类阀门在火力发电站一般用于主蒸汽截止和隔离、主给水泵隔离、高 压加热器隔离、汽轮机疏水系统等关键管线，控制高温高压汽水介质的有效 切断或开启，其承压性能、密封性能、动作性能、使用寿命、维修周期等直 接影响机组的可靠性、安全性，一旦发生故障，常常造成重大事故，严重威 胁机组的安全运行。因为阀门故障的停机事故几乎每家电厂都曾发生。 二 、产品现状及其存在问题 长期以来，国产电站闸阀仍然沿用七十年代“三化”设计的楔式双闸板 或弹性闸板结构，如图1 及图 2 所示为其典型设计结构。 现在许多亚临界机组还在使用， 不少阀门厂家的主流设计也是这类结构。 但多年的运行实践暴露出许多问题，具体归纳如下： 1启闭力矩较大 楔式闸板虽具有强制密封的特点，然而开启瞬间存在很大静摩擦力，使 得开启力矩很大，必须配置较大功率的电动执行装置，才能保证正常启闭， 无形中增加制造及运行成本；同时过大的关闭力矩极易造成密封面或阀门承 载零件的损坏，缩短阀门使用寿命。 2高温楔死 高温状态下，材料强度大大降低， 密封面硬度下降后密封副处于胶合粘 滞状态，此时如关闭力矩调试不当，加上阀杆的热膨胀，会使密封面比压急 剧增加，极易造成所谓的闸板与阀座的“咬死” 。此时如强制开启动作，密封 面极易被拉伤引起泄漏，甚至拉断阀杆或闸板T 形槽。 3电装调试要求极为苛刻 对传统楔式闸阀，无论是手动阀门还是电动阀门，一般均未考虑开关指 示装置，也无法精确设置开关位置点，用户操作与调试只能凭经验与手感进 行，不是过紧就是过松， 过紧会导致咬死或擦伤密封面，过松则易引发内漏。 很难准确调正位置，为阀门故障埋下先天隐患。 4下游侧密封面极易擦伤 这类阀门的典型故障是闸板下游侧密封面极易擦伤，引发早期内漏。 此 现象在大口径或高压差阀门中最为普遍。主要原因有：密封面高温胶合粘滞 导致比压下降、高压差不平衡力作用于单侧密封面、启闭瞬间的摩擦力擦伤 等多重因素。 5铸造壳体，内在缺陷很多，外漏隐患严重 壳体材料通常采用WCB、WC6、ZG20CrMoV 类材料制造，铸件的工 艺水平限制，其内在缺陷极多，一般拍片检查很难面面俱到。砂眼、缩孔、 裂纹等缺陷大量存在，为外漏、爆管等事故埋下隐患； 6闸板零件较多，闸板易脱落，结构可靠性不强 闸板组件由上下托板、左右闸板、闸板架、顶心等十余个零件组成，结 构松散，运行中发现问题有：阀杆根部退刀槽或销子孔处断裂、闸板脱落、 闸板架断裂等故障； 7中腔超压隐患 中腔超压（文献1，2）问题原设计未采取任何措施，即使现在仍有许多 电厂或阀门生产厂仍未引起重视。发生时虽然具有偶然性，但它不以我们的 忽视而隐退，也许就在你的眼皮底下发生。电厂的许多工况均构成产生“中 腔异常超压”的要件，采取措施消除隐患已责无旁贷。 8加工制造精度要求较高 尤其是 Z60Y 类弹性闸板， 两侧密封面角度要求极高， 一般企业只能配 作，产品无互换性，使得电厂无法现场更换，维修的技术工艺性要求极高。 一旦密封面损伤，现场无从解决，用户颇有微词。 三、平板闸阀产品特点 针对楔式闸板阀的缺陷， 结合国内外闸阀的设计进展， 我公司改进传统楔 式闸板结构为平行闸板结构，近年来 运用于主蒸汽及主给水工况取得了满 意的效果。 图 3 为新型平板锻钢闸阀结构设 计简图，与楔式闸板闸阀相比具有以 下特点： 1.启闭力矩低 平板式闸板依靠介质压力作为主 要密封力，开启式先行开启旁路阀门， 降低进出口压差，使得密封面摩擦力 大大降低，既保护了密封面又降低了开启力矩，减小电装功率，降低制造成 本。 2.密封面寿命长 旁路设计实现了无压差启闭，由单侧压差引起的密封面摩擦力得以消 除，启闭阶段仅有弹簧预紧力作用于密封面，因而密封面得到有效的保护， 避免了早期擦伤等破坏，有效地延长了使用寿命，提高了密封可靠性。 3.特别适用高温高压 平板式闸板副不会发生高温楔死现象，对温差变化的适应性也很好，压 力越高密封性越好，这些特点对高温高压的电站阀门尤其适用。 4.安全性大大提高 阀门设计了开关位置指示及限制装置，不会发生开关过头现象；设计了 旁路启闭装置，有效平衡启闭压差，降低阀座及闸板密封面的不平衡力； 左侧闸板开设有泄压孔，中腔升压自动泄放至上游侧，使阀体自动处于正常 受压状态。阀体采用锻钢制造，高温高压无外漏隐患； 5.易维护 阀杆驱动力很小，易磨损的密封副及阀杆螺母副等零件受力情况大为改 善。密封面制造或现场维修也很方便，无苛刻的角度配作要求。 6.电装调试很简单 很多电动阀门故障由电装调试不当引起，平板闸阀仅须控制行程即可， 减少许多人为故障因素，极大地降低对用户的苛刻要求，方便现场操作，降 低了产品的安装及运行维护要求。 7. 旋插式闸板设计 采用新型旋插式闸板结构设计，结构紧凑，零件较少，结构可靠，消除 闸板脱落隐患。 四、设计计算 （文献 3） 设计校核应注意以下几点： 平板式闸板的密封机理为依靠介质压力产生 密封比压作用于下游侧密封面，因而必须考虑介质压力的大小来设计阀座面 额宽度；阀杆主要受力为填料摩擦力、弹簧预紧力对阀座面的摩擦力，与楔 式板相比阀杆直径可小一些，不必受制于 GB/T12234 标准的规定； 弹簧预紧 力为辅助闸板贴合作用，不必太大，太大会增加阀座面摩擦力。主要计算校 核项目如下： （一）壁厚计算 壁厚：C KD S ON B 2 1 （1-1） 式中：D N 中腔或支管通道最大直径 p K O 3 (1-2) C附加裕量定 0.3-0.6Cm 材料的许用应力 （ cm kgf 2 ) 取 nb b 与 nS S 两者中较小值 nb、ns分别为b、s的安全系数， nb=4.25 ns=2.30 （二）阀座密封比压计算 密封面上的总作用力和比压 出口端阀座密封面比压： qq bD Q MMNM MZ b · ( cm kgf 2 ) (2-1) 式中： DMN 阀座密封面内径 bM 阀座密封面宽度 式中： QMZ出口端阀座密封面上的总作用力。对于平行闸阀QMZ= QMJ QMJ密封面上介质静压力 P MMNbD QMJ 2 4 必须保证： qq qMF 式中：q MN密封面必需比压 )( 35 2 cm b q kgf P G M MN 式中：G温度影响系数取1（常温） -1.8（高温） （三）闸板厚度计算 （1）闸板密封面宽度： B=1.6bM 式中： B 闸板密封面宽度 （2）闸板的强度和刚度验算 闸板中心处的弯曲应力： ）（ Ww R C S MP P B 2 2· 8 33 ( cm kgf 2 ) （3-1） 式中：RMP闸板密封面平均半径（cm） RMP =（DMN+B）/2 C附件裕量选 0.3 -0.6 （cm） W闸板材料的弯曲应力（ cm kgf 2 ） 闸板材料的泊桑比选取0.25 变形量：f Mp P B E f R C S 2 3· 16 1)5(5 )( ）（ （cm）(3-2) 式中：f 最大许用变形量 ,一般控制变形量小于0.0004-0.0005cm E材料弹性模量 （四）阀杆强度及开启总扭矩计算 1. 闸板作用于阀杆的轴向力 关闭时阀杆作用于闸板上的力为： Q'=Q MJ?f'M-QG （kg）(4-1) 开启时阀杆作用于闸板上的力为： Q = Q MJ?fM-QG （kg）(4-2) 式中：f' M关闭时密封面摩擦系数取 0.3 f M 开启时密封面摩擦系数 可取f M= f'M+0.1=0.3+0.1=0.4 式 中 ： QG密封机构的质量。 2. 阀杆的强度计算 （1）阀杆总轴向力 A、关闭时阀杆的总轴向力： Q'FZ=Q'+Qp+QT （kg）(4-3) 式中： Qp介质作用于阀杆上的轴向力 P Fd QP 2 4 dF 阀杆直径 式中： QT阀杆与填料摩擦力 QT =dFh1 Z1.2Pf （kg）(4-4) 式中：h1单圈填料与阀杆接触高度 Z填料的圈数 f摩擦系数 B、开启时阀杆的总轴向力 Q FZ=Q-Qp+QT （kg）(4-5) （2）阀杆总扭矩 a.带轴承明杆闸阀关闭时阀杆的总扭矩 M'FZ=M'FL+M'g (kg-cm) (4-6) 式中： M'FL关闭时阀杆螺纹的摩擦扭矩 M'FL= Q'FZRFM (kg-cm) (4-7) M'g关闭时轴承摩擦力矩 2 ' ' D fQ M gp gFZ g （4-8） 式中： Dgp轴承平均直径 fg轴承摩擦系数 b. 开启时阀杆的总扭矩 M FZ=MFL+Mg (kg-cm) (4-9) 式中：M g开启时轴承摩擦力矩 2 “ “ D fQ M gp gFZ g (4-10) 式中： M FL开启时阀杆螺纹摩擦扭矩 M FL= QFZR'FM (kg-cm) (4-11) 式中： R'FM开启时阀杆的摩擦半径 3.阀杆强度验算 A、关闭时阀杆强度的验算 螺纹挤压应力： Y N FZ Y F Q' （ cm kgf 2 ）(4-12) 式中： FN螺纹内径断面处面积。 扭转应力为： N N FZ N W M ' （ cm kgf 2 ）(4-13) 式中： WN阀杆最小抗扭断面系数 合成应力： NY 22 4（ cm kgf 2 ）(4-14) B、开启时阀杆强度验算 拉应力为： L N FZ L F Q“ （ cm kgf 2 ）(4-15) 扭应力： N N FZ N W M “ （ cm kgf 2 ）(4-16) 合成应力： NL 22 4（ cm kgf 2 ）(4-17) （五） .阀杆螺母的计算 1、螺纹表面的挤压应力 ZY y FZ ZY F Q n （ cm kgf 2 ）(5-1) 式中： QFZ常温时最大轴向力 Fy单牙螺纹受挤压面积 n螺纹的计算圈数 ZY材料的许用挤压应力 2、螺纹根部剪应力 nF Q J FZ （ cm kgf 2 ）(5-2) 式中： FJ螺母单牙螺纹根部受剪面积 材料的许用剪应力 3、螺纹根部弯曲应力 ZY L FZ W nW X Q · （ cm kgf 2 ）(5-3) 式中： XL螺纹弯曲力臂 W螺母单牙螺纹根部抗弯曲断面系数 W材料的许用弯曲应力 以上计算涉及材料数据可参考文献3 中有关表格资料 五、主要零件材料选择 各类阀体配置零件材料选项如下表 表 1 阀体材料 最高使用 温度 阀 盖阀 座阀 杆闸 板弹 簧 F22 575 F22 F22+STL 17-4PH F22+STL Inconel 750 12Cr1MoV 570 12Cr1MoV 12Cr1MoV+STL 17-4PH 12Cr1MoV+STL Inconel 750 A105 427 A105 A105+STL 氮化钢A105+STL Inconel 750 20 450 20 20+STL 氮化钢20+STL Inconel 750 F91 620 F91 F91+STL A565 Gr616 F91+STL Inconel 750 六、旁路运行要求 启闭该类阀门应遵循严格的启闭规程，即：开启时旁路先行原则， 旁路开 启后才能降低阀门前后压差，进而降低开启力矩，保护密封面，延长阀门使 用寿命；关闭时则反之，闸板关闭后再关闭旁路阀门。这样使闸板动作基本 处于无压差状态，严禁带压差启闭闸板。 七、结论 平板闸阀适用于高温高压工况，具有闸板不受热应力变化影响、 阀座磨损 较均匀、操作力矩小、易维护等特点。特别适用于高温高压电站超临界、超 超临界工况，为替代传统楔式闸阀产品的理想结构，应用于超临界、超超临 界机组，具有广阔的市场前景。 参考文献 1宣正发张星华等高压电动闸阀爆管原因分析华东电力2006.4 2张建华王芳尤广泉闸阀异常升压的危害与防护流体机械2009.9 3. 沈阳阀门研究所阀门设计辽宁沈阳阀门研究所 1976
