高温高压电站平板闸阀的设计与计算.pdf

文章编号 1002258552010 0220001204 作者简介张建华1963 - ,男,高级工程师,主要从事电站阀门的设计制造及技术管理工作。 高温高压电站平板闸阀的设计与计算 张建华,刘春宇,徐相兰,王曙光 南通市电站阀门有限公司,江苏 南通226572 摘要 论述了平板闸阀的结构特点,介绍了平板闸阀的设计计算方法。 关键词 电站阀门;楔式闸阀;平板闸阀;设计计算 中图分类号TH134 文献标识码A Design and calculation on high2temperature and high2pressure parallel slide gate valve ZHANG Jian2hua, L IU Chun2yu, XU Xiang2lan,WANG Shu2guang N antong pow er2station valve Co. , L td, N antong226572, China AbstractThe article introduced the structural defects of existing w edge gate valve, and introduced the i mprovem ent program of parallel slide gate valve replacing the w edge gate valve. In addition, it also ex2 patiate the calculation m ethods of m ain parts. Key wordspow er station valve; w edge gate valve; parallel slide gate valve; design and calculation 1 概述 目前,火力发电站600MW超临界机组主蒸汽 压力已达2412MPa、 温度538 /566℃, 1 000MW超超 临界机组主蒸汽压力已达31MPa、 温度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。由于 闸阀具有承压高,工作温度高,双向密封,口径大,规 格范围宽和密封可靠等优点,在火电机组的主蒸汽 截止和隔离、 主给水泵隔离、 高压加热器隔离、 汽轮 机疏水等系统中得到广泛的应用,用于控制高温高 压汽水介质的有效切断或开启。火电站闸阀有楔式 和平板式两种,本文介绍一种新型平板锻钢闸阀。 2 结构特性 新型平板闸阀图 1 用于火电站的超临界和超 超临界机组的主蒸汽及主给水系统取得了较好的效 果。与楔式闸阀图 2 相比,平板闸阀具有许多优 点。 1启闭力矩低 平行闸板以介质压力作为主要密封力。开启时 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。 图1 改进型平行双闸板电动主汽闸阀 2使用寿命长 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 12010年第2期 阀 门 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。 a楔式双闸板电动闸阀 b楔式弹性闸板电动闸阀 图2 楔式闸阀 3适用于高温高压 平行闸板密封副不会发生高温楔死现象,对温 差变化的适应性好,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安全性高 阀门设有开关位置指示及限位装置,避免发生 开关过位现象。旁路启闭装置能有效平衡启闭压 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 阀杆驱动力小,易磨损的密封副及阀杆螺母螺 纹副等零件受力小。密封面制造或现场维修方便, 无苛刻的角度配作要求。闸板结构设计成旋插式, 结构紧凑,零件较少,性能稳定,消除闸板脱落隐患。 6电装调试简单 电动阀门发生的故障往往是由电装调试不当引 起的,平板闸阀仅须控制行程,减少许多故障因素, 降低用户使用的苛刻限制,方便现场操作,降低了产 品的安装及运行维护要求。 3 设计计算 平行闸板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设计阀 座密封面宽度。阀杆主要受力为填料摩擦力和弹簧 预紧力对阀座面的摩擦力,与楔式闸板相比阀杆直 径可小一些。弹簧预紧力为辅助闸板贴合作用,不 能太大,太大会增加阀座密封面摩擦力。阀门主要 计算校核项目有壳体壁厚、 阀座密封比压、 闸板厚 度、 阀杆强度和阀杆螺母强度等。 311 壁厚 阀体图 3 壁厚SB为 SBD NKO - 1 2 C1 KO [σ] [σ]-3p 2 式中 DN 中腔或支管通道最大直径,mm C 附加裕量C013～016 , cm [σ] 材料的许用应力 [ σ]取σ b nb与 σs ns中 的较小值 ,MPa nb、ns σb 、 σ s的安全系数 nb4125,ns 21 30 图3 阀体 312 阀座密封比压 出口端阀座密封面比压q为 q QMZ πbMDMNbM ≤[q]3 式中 q 出口端阀座密封面比压,MPa DMN 阀座密封面内径,mm bM 阀座密封面宽度,mm QMZ 出口端阀座密封面上的总作用力,N QMZQMJ QMJ 密封面上介质静压力,N QMJπ 4 DMNbM 2 P 必须保证qMNq[ q]。qMN为密封面必需比 压。 qMNG 35 P bM 4 式中 G 温度影响系数常温时G 1,高温时 G - 11 8 313 闸板厚度 2 阀 门 2010年第2期 1闸板密封面宽度 闸板图 4 密封面宽度B为 B116bM 式中 B 闸板密封面宽度,mm 图4 闸板 2闸板的强度和刚度验算 闸板中心处的弯曲应力σw为 σw 3 3 μ 8 S B- C 2PRMP 2 ≤[σW]5 式中 RMP 闸板密封面平均半径, cm RMP D′ MNB /2 [σW] 闸板材料的弯曲应力,MPa μ 闸板材料的泊桑比μ01 25 闸板变形量ψ为 ψ 5 5 μ 1 -μ 16E SB- C 3 PRMp 2 ≤[f]6 式中 [ψ] 最大许用变形量 [ ψ]≤010004～ 010005 , cm E 材料弹性模量,MPa 314 阀杆强度及开启总扭矩 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Q′为 Q′QMJfM′-QG7 开启时阀杆作用于闸板上的力Q″为 Q″QMJfM″-QG8 式中 fM′ 关闭时密封面摩擦系数fM′01 3 fM″ 开启时密封面摩擦系数 fM″fM′011 013 011 014 QG 密封件的质量, kg 2阀杆强度 阀门关闭时阀杆的总轴向力QFZ′为 QFZ′Q′QpQT9 式中 Qp 介质作用于阀杆上的轴向力,N QPπ 4 dF 2 P dF 阀杆直径,mm QT 阀杆与填料摩擦力,N QT2πdFh1Z1Pf10 h1 单圈填料与阀杆接触高度,mm Z1 填料圈数 f 摩擦系数 阀门开启时阀杆的总轴向力QFZ″为 QFZ″Q″-QpQT11 3阀杆总扭矩 带轴承明杆闸阀关闭时阀杆的总扭矩MFZ′为 MFZ′MFL′Mg′12 式中 MFL′ 关闭时阀杆螺纹的摩擦扭矩,Nm MFL′QFZ′RFM13 Mg′ 关闭时轴承摩擦力矩,Nm Mg′QFZ′fg Dgp 2 14 Dgp 轴承平均直径,mm fg 轴承摩擦系数 阀门开启时阀杆的总扭矩MFZ″为 MFZ″MFL″Mg″15 式中 Mg″ 开启时轴承摩擦力矩,Nm Mg″QFZ″fg Dgp 2 16 MFL″ 开启时阀杆螺纹摩擦扭矩,Nm MFL″QFZ″RFM′17 RFM′ 开启时阀杆的摩擦半径,mm 4阀杆强度验算 阀门关闭时阀杆螺纹挤压应力 σY、 扭转应力 τ N和合成应力σΣ为 σYQ FZ′ FN [σY]18 τ N MFZ′ WN [τ N] 19 σ∑σY24τ N 2 20 式中 FN 螺纹内径断面处面积,mm 2 WN 阀杆最小抗扭断面系数 阀门开启时阀杆拉应力 σL、 扭应力 τ N和合成 应力σΣ为 σLQ FZ″ FN ≤[σL]21 τ N MFZ″ WN ≤[τ N] 22 σ∑σL 2 4τ N 2 23 32010年第2期 阀 门 315 阀杆螺母 1螺纹表面的挤压应力 阀杆螺母螺纹表面的挤压应力σZY σZY QFZ nFy ≤[σZY]24 式中 QFZ 常温时最大轴向力,N Fy 单牙螺纹受挤压面积,mm 2 n 螺纹的计算圈数 [σZY] 材料的许用挤压应力,MPa 2螺纹根部剪应力 阀杆螺母螺纹根部剪应力τ 为 τQ FZ nFJ ≤[τ]25 式中 FJ 螺母单牙螺纹根部受剪面积,mm 2 [τ] 材料的许用剪应力,MPa 3螺纹根部弯曲应力 阀杆螺母螺纹根部弯曲应力σWL为 σWLQ FZXL nW ≤[σZY]26 式中 XL 螺纹弯曲力臂,mm W 螺母单牙螺纹根部抗弯曲断面系数 [σZY] 材料的许用弯曲应力,MPa 计算涉及材料数据可参考文献[3]中有关资料。 4 主要零件材料选择 各类阀体配置零件材料选项如表1所示。 表1 各类阀体配置零件材料 阀体材料最高使用温度 ℃阀盖阀座阀杆闸板弹簧 F22575F22F22 STL17 - 4PHF22 STLInconel750 12Cr1M oV57012Cr1M oV12Cr1M oVSTL17 - 4PH12Cr1M oVSTLInconel750 A105427A105A105 STL氮化钢A105 STLInconel750 204502020 STL氮化钢20 STLInconel750 F91620F91F91 STLA565Gr616F91 STLInconel750 5 旁路要求 启闭该类阀门应遵循严格的启闭规程。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。 6 结语 平板闸阀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。适用于 高温高压电站超临界、超超临界工况,具有广阔的 应用前景。 参考文献 〔1〕 宣正发,张星华,等.高压电动闸阀爆管原因分析 〔J〕. 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 〔J〕. 流体机械,2009,9. 〔3〕 沈阳阀门研究所.阀门设计 〔Z〕.沈阳阀门研究所,1976. 收稿日期2009111123 书讯 钢制管法兰、垫片、紧固件 本书由中华人民共和国化工行业标准HG /T20592～20635 - 2009 代替HG20592～20635 - 1997汇编而成。本系列标准2009年7月1日起实施。本系列标准主要参照EN 1092 - 12002 法兰及其连接件 管道、阀门、管件和附件用圆盘法兰,PN标识 第1篇钢制法 兰 、ASM E B1615 - 2003 管法兰和法兰管件 等国外先进标准,并结合国内实际情况修订而成,包括 了国际通用的两大管法兰、垫片和紧固件标准系列PN系列欧洲体系和Class系列美洲体系。本 系列标准由中国石油和化学工业协会提出并归口。本书由全国化工设备设计技术中心站主编,中国计划出 版社出版,统一书号15801771181,定价185100元。 每册加收书价10的邮寄包装费,需要者,请与沈阳经济技术开发区开发大路15号沈阳阀门研究所 科技开发信息中心的尹玉杰联系,邮编110142,电话024 - 25653780。 E-m ailsfskkxzchinavalveinfo1net http/ /www1chinavalveinfo1net 4 阀 门 2010年第2期