高温高压电站平板闸阀的设计与计算.doc

高温高压电站平板闸阀设计与计算

南通市电站阀门有限企业 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）构造电站闸阀存在问题分析，提出采用平板闸阀构造改善替代方案，并给出设计计算措施，供广大顾客及同行参照
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24．2MPa、温度538／566℃，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电站阀门提出更高参数、更高可靠性规定。闸阀以其承压高、工作温度高、双向密封、口径大、规格范围宽、密封可靠等一系列长处在此类机组得到广泛应用。
此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有效切断或启动，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可靠性、安全性，一旦发生故障，常常导致重大事故，严重威胁机组安全运行。由于阀门故障停机事故几乎每家电厂都曾发生。
二 、产品现实状况及其存在问题
长期以来，国产电站闸阀仍然沿用七十年代“三化”设计楔式双闸板或弹性闸板构造，如图1及图2所示为其经典设计构造。

目前许多亚临界机组还在使用，不少阀门厂家主流设计也是此类构造。但数年运行实践暴露出许多问题，详细归纳如下：
1．启闭力矩较大
楔式闸板虽具有强制密封特点，然而启动瞬间存在很大静摩擦力，使得启动力矩很大，必须配置较大功率电动执行装置，才能保证正常启闭，无形中增长制造及运行成本；同步过大关闭力矩极易导致密封面或阀门承载零件损坏，缩短阀门使用寿命。
2．高温楔死
高温状态下，材料强度大大减少，密封面硬度下降后密封副处在胶合粘滞状态，此时如关闭力矩调试不妥，加上阀杆热膨胀，会使密封面比压急剧增长，极易导致所谓闸板与阀座“咬死”。此时如强制启动动作，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．电装调试规定极为苛刻
对老式楔式闸阀，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，顾客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，过松则易引起内漏。很难精确调正位置，为阀门故障埋下先天隐患。
4．下游侧密封面极易擦伤
此类阀门经典故障是闸板下游侧密封面极易擦伤，引起初期内漏。此现象在大口径或高压差阀门中最为普遍。重要原因有：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、启闭瞬间摩擦力擦伤等多重原因。
5．铸造壳体，内在缺陷诸多，外漏隐患严重
壳体材料一般采用WCB、WC6、ZG20CrMoV类材料制造，铸件工艺水平限制，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，构造可靠性不强
闸板组件由上下托板、左右闸板、闸板架、顶心等十余个零件构成，构造松散，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）问题原设计未采用任何措施，虽然目前仍有许多电厂或阀门生产厂仍未引起重视。发生时虽然具有偶尔性，但它不以我们忽视而隐退，也许就在你眼皮底下发生。电厂许多工况均构成产生“中腔异常超压”要件，采用措施消除隐患已责无旁贷。
8．加工制造精度规定较高
尤其是Z60Y类弹性闸板，两侧密封面角度规定极高，一般企业只能配作，产品无互换性，使得电厂无法现场更换，维修技术工艺性规定极高。一旦密封面损伤，现场无从处理，顾客颇有微词。
三、平板闸阀产品特点
针对楔式闸板阀缺陷，结合国内外闸阀设计进展，我企业改善老式楔式闸板构造为平行闸板构造，近年来运用于主蒸汽及主给水工况获得了满意效果。
图3为新型平板锻钢闸阀构造设计简图，与楔式闸板闸阀相比具有如下特点：
1.启闭力矩低
平板式闸板依托介质压力作为重要密封力，启动式先行启动旁路阀门，减少进出口压差，使得密封面摩擦力大大减少，既保护了密封面又减少了启动力矩，减小电装功率，减少制导致本。
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保护，防止了初期擦伤等破坏，有效地延长了使用寿命，提高了密封可靠性。
3.尤其合用高温高压
平板式闸板副不会发生高温楔死现象，对温差变化适应性也很好，压力越高密封性越好，这些特点对高温高压电站阀门尤其合用。
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，减少阀座及闸板密封面不平衡力；
左侧闸板开设有泄压孔，中腔升压自动泄放至上游侧，使阀体自动处在正常受压状态。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，易磨损密封副及阀杆螺母副等零件受力状况大为改善。密封面制造或现场维修也很以便，无苛刻角度配作规定。
6.电装调试很简朴
诸多电动阀门故障由电装调试不妥引起，平板闸阀仅须控制行程即可，减少许多人为故障原因，极大地减少对顾客苛刻规定，以便现场操作，减少了产品安装及运行维护规定。
7. 旋插式闸板设计
采用新型旋插式闸板构造设计，构造紧凑，零件较少，构造可靠，消除闸板脱落隐患。
四、设计计算（文献3）
设计校核应注意如下几点：平板式闸板密封机理为依托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大小来设计阀座面额宽度；阀杆重要受力为填料摩擦力、弹簧预紧力对阀座面摩擦力，与楔式板相比阀杆直径可小某些，不必受制于GB/T12234原则规定；弹簧预紧力为辅助闸板贴合作用，不必太大，太大会增长阀座面摩擦力。重要计算校核项目如下：
（一）壁厚计算
壁厚： （1-1）
式中：——中腔或支管通道最大直径
(1-2)
C——附加裕量定0.3-0.6Cm
[σ] ——材料许用应力（)
[σ]取与 两者中较小值
nb、ns——分别为σb、σs安全系数，
nb=4.25 ns=2.30
（二）阀座密封比压计算
密封面上总作用力和比压
出口端阀座密封面比压：
() (2-1)
式中：——阀座密封面内径
——阀座密封面宽度
式中：QMZ——出口端阀座密封面上总作用力。对于平行闸阀QMZ= QMJ
QMJ——密封面上介质静压力

必须保证：
式中：——密封面必需比压

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=1.6
式中：B 闸板密封面宽度
（2）闸板强度和刚度验算
闸板中心处弯曲应力：
() （3-1）
式中：RMP——闸板密封面平均半径（cm）
RMP =（D’MN+B）/2
C——附件裕量选0.3 -0.6 （cm）
[σW]——闸板材料弯曲应力 （）
μ——闸板材料泊桑比选用0.25
变形量： （cm） (3-2)
式中：[f]——最大许用变形量,一般控制变形量不不小于0.0004-0.0005cm
E——材料弹性模量
（四）阀杆强度及启动总扭矩计算
1. 闸板作用于阀杆轴向力
关闭时阀杆作用于闸板上力为：
Q'=QMJ٠f'M-QG （kg） (4-1)
启动时阀杆作用于闸板上力为：
Q″= QMJ٠f″M-QG （kg） (4-2)
式中：f'M——关闭时密封面摩擦系数取0.3
f″M——启动时密封面摩擦系数
可取f″M= f'M+0.1=0.3+0.1=0.4
式中：QG——密封机构质量。
2. 阀杆强度计算
（1）阀杆总轴向力
A、关闭时阀杆总轴向力：
Q'FZ=Q'+Qp+QT （kg） (4-3)
式中：Qp——介质作用于阀杆上轴向力

——阀杆直径
式中：QT——阀杆与填料摩擦力
QT =πdFh1 Z1.2Pf （kg） (4-4)
式中：h1——单圈填料与阀杆接触高度
Z——填料圈数
f——摩擦系数
B、启动时阀杆总轴向力
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总扭矩
M'FZ=M'FL+M'g (kg-cm) (4-6)
式中：M'FL——关闭时阀杆螺纹摩擦扭矩
M'FL= Q'FZRFM (kg-cm) (4-7)
M'g——关闭时轴承摩擦力矩
（4-8）
式中：Dgp——轴承平均直径
fg——轴承摩擦系数
b.启动时阀杆总扭矩
M″FZ=M″FL+M″g (kg-cm) (4-9)
式中：M″g——启动时轴承摩擦力矩
(4-10)
式中：M″FL——启动时阀杆螺纹摩擦扭矩
M″FL= Q″FZR'FM (kg-cm) (4-11)
式中：R'FM——启动时阀杆摩擦半径
3.阀杆强度验算
A、关闭时阀杆强度验算
螺纹挤压应力：
（） (4-12)
式中：FN ——螺纹内径断面处面积。
扭转应力为：
（） (4-13)
式中：WN——阀杆最小抗扭断面系数
合成应力：
（） (4-14)
B、启动时阀杆强度验算
拉应力为：
（） (4-15)
扭应力：
（） (4-16)
合成应力：
（） (4-17)
（五）.阀杆螺母计算
1、螺纹表面挤压应力
（） (5-1)
式中：QFZ——常温时最大轴向力
Fy——单牙螺纹受挤压面积
n——螺纹计算圈数
[σZY]——材料许用挤压应力
2、螺纹根部剪应力
（） (5-2)
式中：FJ——螺母单牙螺纹根部受剪面积
[τ]——材料许用剪应力
3、螺纹根部弯曲应力
（） (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
[σW]——材料许用弯曲应力
以上计算波及材料数据可参照文献3中有关表格资料
五、重要零件材料选择
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、旁路运行规定
启闭该类阀门应遵照严格启闭规程，即：启动时旁路先行原则，旁路启动后才能减少阀门前后压差，进而减少启动力矩，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在无压差状态，严禁带压差启闭闸板。
七、结论
平板闸阀合用于高温高压工况，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。尤其合用于高温高压电站超临界、超超临界工况，为替代老式楔式闸阀产品理想构造，应用于超临界、超超临界机组，具有广阔市场前景。

参照文献

1．宣正发 张星华等 高压电动闸阀爆管原因分析 《华东电力》.4
2．张建华 王芳 尤广泉 闸阀异常升压危害与防护 《流体机械》.9
3. 沈阳阀门研究所 阀门设计 辽宁沈阳阀门研究所 1976