大型超临界火电站主蒸汽阀门的设计及研制.pdf

文章编号 100225855 2007 0120001206 作者简介鹿焕成1954 - ,男,郑州人,高级工程师,从事高温高压电站阀门设计、制造和研究工作。 大型超临界火电站主蒸汽阀门的设计及研制 鹿焕成1,宋银立2,王军华2 1 1 河南开封高压阀门有限公司,河南 开封475002 ; 21 中国通用机械工业协会阀门分会,北京100044 摘要 介绍了大型超临界火电站主蒸汽阀材料选择、结构设计、设计计算及应力分析,并阐 述了阀门安装使用及维护方法。 关键词 超临界火电主蒸汽阀;选材;设计;应力分析及使用 中图分类号 TH134 文献标识码 A The designing and manufacturing of large super - critical thermal power plant main - steam valve LU Huan - cheng1, SONG Ying - li2, WANGJun - hua2 1. Henan Kaifeng High Pressure Valve CO. , Ltd , Kaifeng 475002 China ; 2. China General Machinery Industry Association Valve Branch , Beijing 100044 , China Abstract This essay is to introduce the material choices of the super - critical power main steam valve , the designing of the structure , the calculation of the designing , the analysis of the stress , as well as to provide some explaining of assembling and using of the valve. Key words the super - critical power main steam valve ; the choices of the material ; the designing; the analysis and usage of the stress. 1 概述 根据国家电力发展产业政策,在第11个五年 计划期间把60万kW超临界机组做为主流建设机 组, 100万kW超超临界机组作为预研建设机组。 目前我国每年要花大量的外汇从国外进口大批60 万kW超临界机组的主蒸汽阀门。因此研制开发 60万kW超临界机组的主蒸汽阀门对我国大型超 临界机组国产化具有重要意义。 2 主蒸汽阀门设计 211 选择材料 我国电力行业用阀门材料习惯采用CrMoV 15Cr1Mo1V、12Cr1MoV 和 CrMo WC9、 WC6低合金耐热钢和奥氏体不锈热强钢。由于 低合金耐热钢在540℃ 以上高温持久强度和高温蠕 变强度降低,材料的高温运行稳定性较差。而奥氏 体不锈热强钢又存在着价格昂贵,导热率差,热膨 胀系数大,热应力较大,长期运行性能也不十分稳 定等问题。美国国家实验室ORNL在美国燃烧 工程公司CE的协作下研究了一种新型的 9Cr1MoV耐热强化钢。9Cr1MoV钢正火后经730 ～780℃ 回火,金相组织呈马氏体骨架结构。由于 是马氏体分解形成颗粒很细的M23C6型的钒、铌 碳氮化物结构M23C6是23个金属原子和6个碳 原子形成的碳化物, 23个金属原子通常是合金中 形成碳化物能力较强的富元素,如铬、钒、铌等 , 同时在次微颗粒中有大量的错位存在,使得 9Cr1MoV钢有着很高的蠕变强度,在593℃时, 100 000 h条件下持久强度达100MPa。9Cr1MoV 钢还有良好的抗高温氧化性能。根据美国国家试验 室试验结果,在593℃ 的高温空气中试验20 000 h , 9Cr1MoV钢比CrMo钢WC9、 P22 高温抗氧化 性能高10倍。在600℃ 的蒸汽中抗高温氧化试验, 在2 000 h后9Cr1MoV钢管内氧化层厚仅为P22的 1/ 7 表1～ 3 。1984年9Cr1MoV管材收入美国材 料协会ASTM A335标 准 中,牌 号P91。以 后 9Cr1MoV锻件F91和板材 GR91也收入标 准中。90年代末, T91和P91钢在我国逐步得到 推广应用。由于P91和F91类钢具有良好的高温 12007年第1期 阀 门 性能而在热电厂广泛应用,引发了对9Cr1MoV铸 钢C12A阀门的需求, ASTM在1999年将 C12A收入ASTM A217之中,使C12A铸钢以商 品形式被广泛应用有了标准依据。 表1 9Cr1MoV钢的材料规范和牌号 地区规范号/牌号适用性 美国A - 217/ C12A高温压力容器用马氏体不锈钢和合金钢铸件 ASTM/ ASMEA - 213/ T91铁素体和奥氏体合金钢锅炉过热器和热交换器无缝钢管 A - 335/ P91高温管道用铁素体钢无缝钢管 A - 387/ GR91铬钼合金钢压力容器钢板 A - 182/ F91高温用锻轧合金钢管、 法兰、 锻制管件和阀门和其他部件 A - 234/ W91碳钢和合金钢中温和高温用锻制管件 A - 200/ P91石化工业用铁素体合金钢无缝钢管 A - 336/ F91钢锻件、 高温高压用合金部件 A - 199/ T91热交换器和冷凝器管用冷拔合金无缝钢管 A - 369/ FP91高温用碳钢和铁素体合金钢锻造空心管 法国NFA - 49213/ TUZ10CDVNb09 - 01锅炉过热器和热交换器用铁素体合金钢热轧和冷拔无缝钢管 NFA - 49219/ TUZ10CDVNb09 - 01石油化工用热轧和冷拔无缝钢管 德国DIN17175/ X10CrMoVNb91材料号No 114903 表2 9Cr1MoV钢的化学成分 钢号CMnPSSiCrMoVNbNNiAl℃ ASTM A - 217/ C12A A - 335/ P91 0108 0112 0130 0160 ≤0102≤0101 0120 0150 810 915 0185 1105 0118 0125 0106 0110 0103 0107 ≤0104≤0104≤649 表3 9Cr1MoV钢的室温机械性能MPa 标准钢号 屈服极限 MPa 抗拉强度 MPa 延伸率硬度HB ASTM A - 217/ A - 335C12A/ P91≥415≥585≥20≤250 C12A/ P91钢 的 许 用 应 力 高 于WC9/ P22。 540℃ 以上许用应力是WC9/ P22的两倍以上。所 以制做阀门和管道材料C12A/ P91钢比WC9/ P22 钢有明显的优越性。如设计压力为2716MPa ,设 计温 度 为549℃时,分 别 采 用9Cr1MoV钢 和 2125Cr1Mo WC9钢按照高温下许用应力设计阀 体,则9Cr1MoV钢 制 做 的 阀 体 重1 296 kg , 2125Cr1Mo钢制做的阀体重3 701 kg 图 1 。 表4 C12A/ P91与WC9/ P22钢的许用应力MPa 钢号482℃510℃538℃566℃593℃621℃650℃ C12A/ P911151079816897148132916 WC9/ P2296137518531739192819 212 选择阀门 60万kW超临界机组主蒸汽阀门系统的温度 576℃,压力2617 MPa ,主蒸汽管管径Φ57511mm 84 mm。因此确定设计压力2615MPa ,设计温度 574℃。按 照ANSI/ ASME B16134标 准,选 定 C12A。再线性插入法查出C12A在3 500标准磅级 的576℃ 下工作压力为2717MPa。3 000特殊磅级 的576℃ 下工作压力为2815MPa。C12A材料满足 60万kW超临界机组主蒸汽参数设计要求。如果 采用WC9材料, 4 500特殊磅级的576℃ 下工作压 力最高也只能达到25108MPa ,不能满足要求。 根据主蒸汽管径Φ57511 mm84 mm ,如果采 用3 500标准磅级,公称直径为28 in.。采用3 000 特殊磅级,公称直径为24 in.。考虑到压力、温度 比较高,口径较大。同时考虑主蒸汽管道流阻系数 要小,选择24 in.电动闸阀作为主蒸汽阀,阀门 型号为Z960Y3000LbⅡS12 - 24。阀门结构长度L 1 549 mm ,通径d 374 mm ,对焊端D 634 mm。阀体、闸板和阀盖材料为C12A ,阀座材料 为F91 ,支架材料为WC9 ,阀杆材料为SUH600 , 紧固件材料螺柱为20Cr1Mo1V1A ,螺母材料为 35CrMoA ,填料及垫片材料为增强柔性石墨类。 213 结构设计 结构设计按照ANSI/ ASME B16134及日本 E101标准。采用弹性单闸板及中腔压力自密封结 构图 2 。闸板与阀座堆焊Co、Cr、W硬质合 金。阀体中腔自密封部位堆焊Cr - Ni奥氏体不锈 2 阀 门 2007年第1期 钢,防止高温高压蒸汽和晶间腐蚀。阀杆表面离子 氮化处理,与闸板采用刚性高强度连接。填料下部 设置迷宫密封,以降低超高压介质对填料的破坏。 采用带碟簧的填料压紧机构,使填料始终保持一定 的压紧力,保证填料处的密封。阀门设置关闭限位 机构,防止闸板关闭力过大而在高温高压状态楔 死,造成重大事故。 a 9Cr1MoV钢 b 2125CrMo钢 图1 两种材料制造的阀体 11 阀体 21 闸板 31 阀杆 41 阀盖 51 密封环 61 支架 71 电动装置 图2 超临界主蒸汽系统用电动闸阀 超临界主蒸汽闸阀结构设计时还应注意几个问 题。① 保证阀门在高温高压工况下的密封性,闸板 与阀座的高温抗檫伤性。②介质流动性好,流阻 小,承压壳体受力均匀,无过载局部应力。③ 保证 开启灵活,防止闸板在高温高压介质下打不开或关 不严,还要防止阀体中腔异常升压。④ 满足设备抗 震动和抗噪声性能。⑤ 中腔自密封结构可靠,密封 环维修更换方便。⑥ 关键紧固件应配有机械锁紧, 防止设备运行中因紧固件松脱造成事故。⑦ 阀门应 便于操作,安装拆卸及维修方便。 超临界阀门的结构设计必须考虑将与危险区域 内部结构不连续有关的应力集中系数限制较低的范 围。因此须注意,在内外表面交会处避免锐角,在 承压边界上的开孔位置应适当,并尽量使应力集中 减小到最低程度,在阀体内腔避免存在不连续部 位,形成光滑弧度。 3 零件设计 311 阀体壁厚 根据ANSI B16134附录F113 ,对阀体壁厚按 照以下程序进行设计图 3 。 图3 阀体壁厚计算程序 式中 Tm 阀体壁厚, mm d 阀门通道直径, mm 32007年第1期 阀 门 tm 阀体最小壁厚, mm CF 结构附加及腐蚀余量, mm MA 铸造偏差绝对值取MA 4 , mm SR 用户特殊要求, mm 已知Pc 3 000 LB ,ID 374 mm ,S 7 000 , 计算得Tm 170 mm。 312 闸板强度 对于弹性单闸板图 4 其强度校核公式为 σσ1σ2 MPa σ1β11F/ h2 MPa F πb2P102 N σ2β15Pa2/ h2102 MPa 式中 a 阀座通道半径, mm b 闸板弹性槽半径, mm h 闸板最小厚度, mm β11 、 β 15 闸板应力系数 P 38℃ 时最高工作压力, N/ cm2 计算结果σ≤〔 σL〕合格。 图4 弹性阐板 313 阀杆强度 σ Fz/01785df2 MPa 式中Fz 操作力计算值, MPa FzFjFmFt Fj 介质作用力, N Fj 01785df2P Fm 密封面摩擦力, N Fm 01785dz2P Ft 填料摩擦力, N Ftπdfh Pug df 阀杆直径, cm h 填料高度, cm Pug 系数, MPa dz 阀座有效直径, cm 计算结果σ≤〔 σL〕合格。 314 阀盖计算 阀盖图 5 承受的弯曲应力σw为 σw 6QRW/πM H2MPa 式中 Q 介质对密封环和阀体内壁作用力, N QF/ sin30μcos30 F 介质对阀盖的作用力, N F 01785Ds2P/ 100 RW 弯曲半径, mm M a - a断面平均直径, mm H a - a断面阀盖厚度, mm μ 密封环与阀体的摩擦系数 Ds 密封环外径, mm 〔 σ W〕许用弯曲应力计算结果σW≤〔 σW〕合 格。 图5 阀盖受力分析 315 扭矩计算 阀门最大操作扭矩发生在阀门关闭时,最大操 作扭矩为 Mmax 111MJ N 1 m 式中 MJ 最大操作扭矩计算值, N1m MJFz′ β/ 1000 Fz′ 最大操作力, N Fz′ 111Fz β 阀杆梯形螺纹系数 在选配电动驱动装置时要注意 ① 电动装置的最 大扭矩一定要大于阀门实际工作时所需的最大扭 矩。一般取111～113倍,严格控制在2倍以下, 不得超出阀门的强度极限。② 对于推力型电动装置 允许承受的最大推力一定要大于阀门实际工作时产 4 阀 门 2007年第1期 生的最大推力值,否则将可能损坏电动装置。③ 选 择合理的运动速度,对于升降式阀类一般为4～5 m/ s为好。 316 流阻计算及噪声计算 闸阀流体阻力系数ξ为 ξ 01172d - 01113 d/ dz 式中 d 阀门通道直径, mm dz 阀座有效直径, mm 计算结果ξ≤013合格。 阀门噪声NS为 NSNS△p△NSkv△NSpt在阀门出口 1 m处,管道外径1 m范围 式中 NS△p 因阀门前后压差引起的噪声度 △NSkv 因阀门Kv值修正的噪声度 △NSpt 因阀门配管修正的噪声度 计算结果NS≤85dB合格。 4 应力分析 由于超临界主蒸汽闸阀使用在超高温高压蒸汽 的工作环境下,因此对阀门承压壳体的要求极为苛 刻,所以要进行应力分析计算。其一次薄膜应力基 本上由内压产生,最大应力区产生在阀体的拐角区 图 6 。拐角区总体一次薄膜应力须满足 σmAp/Ao 01 5 Po 式中 Po 38℃ 时额定压力, MPa Ap 流体面积, mm2 Ao 金属面积, mm2 构成流体面积边界的距离为LA 015D-S1 或S2,取较大值 LN 015R 01354 [S1dS1 ] 1/ 2 mm 计算结果σm≤〔 σ 〕合格。 图6 阀门承受最大应力区 5 使用及维护 1安装 安装时必须仔细核对阀门上的标志 和铭牌是否符合使用要求。楔形闸阀一般最好垂直 向上安装,如需其他位置安装,请在订货合同上予 以注明。另外,在安装现场必须留出操作和维修的 位置。填料函部位严禁包裹保温套,以使填料函部 位尽可能充分自然冷却,以保证填料密封不失效。 2使用 楔式闸阀应在全开或全关等状态下 使用。高温高压楔式闸阀是靠闸板的前后压力差将 闸板压紧在一端阀座上,而起密封作用的。全开时 其流体阻力小,密封面受介质的冲蚀也小,同时阀 门启、闭力矩较小,介质的流向也不受限制,故楔 式闸阀常被用作截断阀。为避免闸板背面产生漩 涡,增大流体阻力,引起侵蚀或振动,楔式闸阀应 杜绝做调节使用。阀杆上密封起着全开上限位和保 护填料作用,避免了介质和填料经常接触,延长了 填料的使用寿命,所以阀门开启一定要到位。 3防护 电动装置应适当的进行防护。电动 装置控制箱内如遭水浸,会降低元件的绝缘性,甚 至引起短路。电机壳内浸水,会降低绝缘性,可能 引起电机烧毁。因此,应适当的进行防护或选择高 防护等级的电动装置。 4试验 阀门在进行强度试验时,由于强度 试验压力已经远远超出设计压力,所以禁止手动或 电动操作,以免损坏机件。 5焊接 阀门出厂时在坡口处涂有防护涂 料,在与管道焊接前要将防护涂料、油污以及尘土 清洗干净,同时要注意切勿损伤坡口。阀门与管道 焊接前,要使阀门处于关闭时,并反转手轮两圈, 将闸板置于微开的状态。焊前进行预热,焊后消除 焊缝的焊接应力。 6维护 阀门使用前应检查阀盖预紧螺栓及 填料压盖上的活节螺栓螺母是否均匀拧紧。运行一 段时间后,在阀门处于无负荷的状态下再次检查有 无松动,以消除由于介质温度、压力的作用,造成 阀门的密封环和填料产生的变形和错位而影响密封 性能。要保持阀杆螺纹部位经常性的清洁和润滑状 态,以保证阀门启闭灵活。 6 C12A特性 9Cr1MoV钢是新型的高温抗蠕变钢种。其铸 造牌号为C12A。由于C12A在铸造上有着一定的 难度,直到1999年美国材料试验协会才将其正式 收录到ASTM A217标准中。因此在解决超临界高 52007年第1期 阀 门 温高压阀门设计中的关键技术难题时,还要解决 C12A钢的冶炼、铸造、热处理和焊接等问题。 611 铸造 C12A钢的冶炼和铸造过程中,除了要保证有 效的控制化学成分,如C、P、S、V、Ni和N等 的含量,更关键的是如何有效的防止气孔和裂纹的 产生。通常国内外材料研制企业都采用AOD、 VOD 真空氧脱碳精练、VODC VOD 加氩气搅 拌功能的转炉工艺和ESC 电渣重熔精炼等工 艺。但对于阀门铸造和制造企业,往往受着产品构 成、设备投资等环节的制约。经过多次试验和研 制,在普通电弧炉上采用炉外精练、惰性气体保护 浇注的方法,浇铸出了合格的超临界高温高压阀门 用C12A铸钢件。 612 焊接 C12A的焊接应首先选好焊材,同时采用一些 特殊的保护方法和先进的工艺。焊接常见的方法是 用氩气保护焊工艺,或者是用氩弧焊打底,然后用 手工电弧焊盖面。为防止焊接中产生的冷裂纹和热 裂纹,应合适整定预热温度、控制层间温度,并且 使每一层在焊下一层之前至少有部分转化为马氏 体。焊后热处理并缓冷到室温,冷却时要防止潮气 侵入而产生气孔,才能够保证焊接质量。 613 热处理 C12A的最终热处理为正火回火或调质处 理。在正火或淬火后应立即回火以避免可能出现的 应力裂纹。在正火或淬火状态下,也要避免潮气 冷凝水吸入。热处理过程中要控制适当的温度, 使其组织尽可能实现完全的马氏体转换,否则将影 响材料的冲击韧性和高温性能。 7 结语 9Cr1MoV铸钢C12A作为600℃ 温度区域用高 温高压阀门材料,与奥氏体不锈钢相比有较低的线 膨胀系数和较好的导热性,抗高温蒸汽氧化性和抗 应力腐蚀性小。在600℃以下强度比奥氏体钢高, 高温下稳定性好,价格约降低了一半。与珠光体耐 热钢WC9相比有较高的高温强度和抗蠕变能 力,同等条件阀门及管道壁厚减半,重量减半,工 程造价减少。由于C12A良好的导热性,使得火电 机组启动周期短,减少了启动时间,提高了加载速 度,增加了火电机组的热效率。 参考文献 〔1〕 ANSI/ ASME B16134 - 2004 ,法兰、螺纹和焊接连接的阀门 〔S〕. 〔2〕 ASTM A217/ A217M - 2004 ,高温承压件用马氏体不锈钢和 合金钢铸件标准规范 〔S〕. 〔3〕 ASTM A182/ A182M - 2005 ,高温用锻制或轧制合金钢管法 兰、锻制和轧制合金钢法兰、锻制管件、阀门和部件 〔S〕 收稿日期 20061101 10 书讯 11电站常用阀门手册 本书由中国电力出版社2000年出版发行,中国电器工业协 会电站辅机分会编。本书既是电站阀门设计选型的必备工具书,也是电厂选购阀门的最新参考书。本书主 要内容包括闸阀、截止阀、节流阀、止回阀、安全阀、调节阀、给水分配阀、球阀、蝶阀、疏水阀、隔 膜阀、减压阀、减温减压阀、特殊阀真空阀、水封阀、水压试验用阀、限流阀、限流稳压保护阀、监流 器和压力表截止阀、超压保护阀等、旁路装置、阀门电动装置以及电站阀门型号编制方法和主要阀门类 型简介等。书号ISBN7508302974 ,定价80100元/册。 21阀门手册第二版 本书由中国石化出版社2005年出版发行,[美] PhilipL1Skousen著, 孙家孔译。本书全面系统地介绍了阀门的基础知识、阀门种类和阀门应用等方面内容。具体内容包括阀 门介绍、阀门选用准则、手动阀门、控制阀、手动控制器和执行机构、灵活阀门及定位器、确定阀门尺 寸、确定执行机构尺寸和常见阀门问题等。本书可作为阀门使用维修人员以及设备管理和工程技术人员的 工具书,也可作为阀门设计人员和从事压力容器、管道设计人员的参考书。书号ISBN780164896 X ,定价55100元/册。 31阀门产品样本上、下册 本书由机械工业出版社2006年出版发行。本书是合肥通用机械 研究院对2002年出版的阀门产品样本进行了重编。书中汇集了我国阀门行业150余家阀门主要生产 厂的产品,共计2000多个型号,近4万个规格。内容包括各类阀门的外观图、结构图、主要性能参数、 主要外形及结构尺寸、重量及主要零件材料等,为工程设计人员及阀门用户正确、合理、经济地选择阀门 提供参考资料。书号ISBN7 - 111 - 18960 - 4 ,定价290. 00元/册。 每册加收书价10 的邮寄包装费需要者,请与沈阳市铁西区云峰北街3号沈阳阀门研究所科技开 发信息中心的尹玉杰联系,邮编 110025 ,电话 13840373900。 6 阀 门 2007年第1期