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
 
關鍵詞   楔式閘閥 平板閘閥  設計計算   電站閘閥  電站高壓閘閥
摘 要：通過對現行楔式雙閘板（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 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：1Cr5Mo，12CrMorV，ZG12CrMoV廣泛用于鋼鐵、冶金、化工行業及電力、能源發電廠等設施。
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 
    現行600MW超臨界機組主汽參數已達24．2MPa、溫度538／566℃，1000MW超超臨界機組主汽參數已達31Mpa、593℃，主給水系統壓力則更高。如此高參數自然對與之配套的電站閥門提出更高參數、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、規格范圍寬、密封可靠等一系列優點在這類機組得到廣泛的應用。 
    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,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、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、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、汽輪機疏水系統等關鍵管線，控制高溫高壓汽水介質的有效切斷或開啟，其承壓性能、密封性能、動作性能、使用壽命、維修周期等直接影響機組的可靠性、安全性，一旦發生故障，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生。


技術工藝優勢：

1、殼體采用鍛造及鑄造兩種工藝選項，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，確保密封面高硬度及硬度差；精密研磨，光潔如鏡，耐磨耐蝕，有效延長使用壽命；
3、背密封設計，有效保護密封填料，杜絕跑冒滴漏；
4、高壓水強度，高壓氣體強度，無損檢測等多道檢測，全面控制承壓件質量；
5、閥桿表面經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構設計，耐溫耐壓，無腐蝕，自動潤滑，減輕啟閉摩擦，避免對閥桿表面的腐蝕，進而免除外漏；
7、雙向承壓密封設計，滿足各類特殊工況的苛刻要求；
8、嚴格手工配研，確保雙側密封面吻合度 90% 以上，實現氣泡級出廠密封檢測；
9、Z60 系列*的閘板彈性槽設計，自動補償加工誤差，適應高溫工況，避免咬死； Z62Y 系列為雙閘板設計，閘板自動矯正加工誤差，始終保持密封面 99% 吻合度，特別便于用戶現場維修保養； 
10、閥蓋自緊密封設計，壓力越高，密封越可靠； 

二 、產品現狀及其存在問題  
以來，國產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。現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承載零件的損壞，縮短閥門使用壽命。


  2．高溫楔死 
 高溫狀態下，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，此時如關閉力矩調試不當，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．電裝調試要求極為苛刻 

    對傳統楔式閘閥，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，也無法設置開關位置點，用戶操作與調試只能憑經驗與手感進行，不是過緊就是過松，過緊會導致咬死或擦傷密封面，過松則易引發內漏。很難準確調正位置，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閘板下游側密封面極易擦傷，引發早期內漏。此現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，運行中發現問題有：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1，2）問題原設計未采取任何措施，即使現在仍有許多電廠或閥門生產廠仍未引起重視。發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生。電廠的許多工況均構成產生“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*，一般企業只能配作，產品無互換性，使得電廠無法現場更換，維修的技術工藝性要求*。一旦密封面損傷，現場無從解決，用戶頗有微詞。





三、平板閘閥產品特點 
針對楔式閘板閥的缺陷，結合國內外閘閥的設計進展，我公司改進傳統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生高溫楔死現象，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，不會發生開關過頭現象；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。閥體采用鍛鋼制造，高溫高壓無外漏隱患； 
5.易維護 
閥桿驅動力很小，易磨損的密封副及閥桿螺母副等零件受力情況大為改善。密封面制造或現場維修也很方便，無苛刻的角度配作要求。 
6.電裝調試很簡單 
很多電動閥門故障由電裝調試不當引起，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，方便現場操作，降低了產品的安裝及運行維護要求。 
7. 旋插式閘板設計 
采用新型旋插式閘板結構設計，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壓力產生密封比壓作用于下游側密封面，因而必須考慮介質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： 




應用規范： 

1、設計、制造：E101 
2、結構長度：E101 
3、對焊連接：78DG　ANSI　B16。25 
4、檢查和試驗：E101

主要零件材料及使用范圍：

產品型號	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	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	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

* 實際配管尺寸可依合同要求加工 ;DN150 以上可選配齒輪驅動機構

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	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] ——材料的許用應力（cm
Sσ 兩者中較小值 nb、ns——分別為σb、σs的安全系數， 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： 


式中：G——溫度影響系數取1（常溫）-1.8（高溫） （三）閘板厚度計算 （1）閘板密封面寬度： B=1.6bM 
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： 
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'=QMJ?f'M-QG     （kg）                  


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


  (4-2) 式中：f'M——關閉時密封面摩擦系數取0.3    


  f″M——開啟時密封面摩擦系數 可取f″M= f'M+0.1=0.3+0.1=0.4 
式中：QG——密封機構的質量。 
2. 閥桿的強度計算  


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


(4-3) 式中：Qp——介質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      


f——摩擦系數 B、開啟時閥桿的總軸向力 

  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——關閉時軸承摩擦力矩   
式中：M″FL——開啟時閥桿螺紋摩擦扭矩 
     M″FL= Q″FZR'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： 


B、開啟時閥桿強度驗算 拉應力為： 
（五）.閥桿螺母的計算 
1、螺紋表面的擠壓應力       


(5-1) 式中：QFZ——常溫時大軸向力      


Fy——單牙螺紋受擠壓面積          


n——螺紋的計算圈數          


[σZY]——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      


[τ]——材料的許用剪應力


3、螺紋根部彎曲應力   ??

 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 
[σW]——材料的許用彎曲應力 
以上計算涉及材料數據可參考文獻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 高使用 

六、旁路運行要求 
啟閉該類閥門應遵循嚴格的啟閉規程，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，閘板關閉后再關閉旁路閥門。這樣使閘板動作基本處于無壓差狀態，嚴禁帶壓差啟閉閘板。 

七、結論 
平板閘閥適用于高溫高壓工況，具有閘板不受熱應力變化影響、閥座磨損較均勻、操作力矩小、易維護等特點。特別適用于高溫高壓電站超臨界、超超臨界工況，為替代傳統楔式閘閥產品的理想結構，應用于超臨界、超超臨界機組，具有廣闊的市場前景。與本文相關的論文有：中國閥門產值遞增  
參考文獻  
1．宣正發 張星華等  高壓電動閘閥爆管原因分析   《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   《流體機械》2009.9


3. 沈陽閥門研究所  閥門設計  遼寧沈陽閥門研究所   1976