小口徑超臨界全鍛造閘閥的設計研究

郭俊波+張晶

摘要：文章論述了小口徑超臨界全鍛造閘閥設計過程中注意的設計要素，分析了整體鍛造閥體的結構特點、工作原理及性能，討論小口徑超臨界鍛造閘閥設計中面臨的困難以及解決方法、閥門的計算內容及主要零部件的材料。

關鍵詞：超臨界全鍛造閘閥；電站閥門；旁通閥；設計計算

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）17-0017-02

1概述

隨著小型鍋爐火力發電站高能耗，效率低下，環境污染嚴重，而作為火力發電的主要原料煤炭開發的日益枯竭，目前就國家政策而言，國內已經停止批復<600 MW機組火力發電站的建設。而600 MW超臨界機組主蒸汽壓力已經達到24.2 MPa、溫度538 ℃/566 ℃，1 000 MW超超臨界機組主蒸汽壓力已經達到31 MPa、溫度593 ℃，主給水系統壓力相應的也會更高。隨著高參數，大機組及超臨界、超超臨界火電機組的大量投產運行，對發電機組的性能要求越來越高，由于閘閥具有使用溫度高、承壓高、口徑大、密封可靠、可雙向密封等優點，在火力機組中得到廣泛的應用，來控制高溫高壓汽水介質的有效啟閉。

2工作原理及結構特點

閘閥作為隔斷類閥門的一種，用來接通或截斷管路中的介質。其結構特點有流體阻力小、啟閉力矩小、結構長度較短、密封性能好等，但其密封面也易損傷、啟閉時間長、結構較為復雜。全鍛造小口徑閘閥也面臨高溫高壓介質使中腔憋壓，啟閉困難和中腔尺寸小，無法焊接導向筋等困難。下面就如何設計此閥門的一些細節給出一點意見。

小口徑超臨界全鍛造閘閥（如圖1所示）是由閥體、閥座、閥瓣、閥桿、均壓環、四分環、填料室、立柱、連接法蘭、電裝等組成。鍛造閘閥閥體是由毛坯鋼錠整體鍛造成型，閥門內部主要零部件如閥桿、填料室、閥瓣、閥座、均壓環等也均采用鍛件。鍛件毛坯均按照常規鍛造工藝，在鍛壓設備上采取自由錘鍛，使得鍛件的外形接近于我們所需的零件外形。其中鍛造閥體為大型鍛件，鍛造程序相對復雜，鍛造設備的要求也更為苛刻，但整體鍛造工藝避免了鑄鋼件閥體鑄造時存在的縮孔、夾渣和疏松等固有缺陷，以保證整體系統的安全。

閥體結構為直流型，全鍛造閥體的加工量大，給生產周期帶來一定的局限性，但閥體加工難度主要是存在于閥體導向筋的加工，由于閥體中腔尺寸的限制，無法在閥體中腔焊接導向筋，所以閥體采用凹導向筋，直接在閥體上加工（如圖2所示），這樣會對加工設備和操作工人有一定的要求。

在介質流入支管與閥門中腔之間增配平衡閥，可防止高溫高壓介質在閥門開啟時形成中腔憋壓，在一定程度上也減輕了閥門對電裝啟閉力矩的要求。當需要開啟閘閥時，先打開平衡閥，使介質通過平衡閥流入閥體中腔，使支管與中腔的壓力保持一致，避免中腔因壓強增大阻礙閥門的開啟，同時密封面在大壓差下，其磨損和擦傷也會加劇，先開平衡閥再開主閥減少了密封面的磨損，延長閥門使用壽命。閥體與連接法蘭間采用立柱連接，拆卸方便簡捷。超臨界全鍛造閘閥介質的溫度和壓力都比較高，對閥桿密封填料的要求也較其他參數閥門較嚴格，密封填料采用上、下盤根與柔性石墨組合使用，確保密封效果。中腔采用壓力自緊式密封結構，介質壓力越大閥門的密封性能越好。閥瓣的設計有彈性閥瓣、楔式閥瓣和平行式閥瓣，我們這里采用的是楔式雙閥瓣，此閥瓣對楔角的加工精度要求低，容易密封，溫度變化不易造成擦傷，且隨著密封面的磨損閥瓣具有一定的自我補償功能，延長閥門使用壽命，密封面磨損后維修也較為方便。閥座也采用鍛造來制造，閥座與閥瓣的密封面間均對焊硬質合金材料，保障密封性能好的同時也盡量延長閥門的使用壽命。

3設計參數及主要材料

該超臨界閘閥的參數為：工作溫度T：369 ℃，工作壓力P：31.3 MPa，公稱通徑DN：150，配管：Φ219×35。閥門主要用在過熱器二級減溫水總管道上，作切斷介質用。

主要零件材質見表1。

4設計計算包含的內容

本閥門設計標準采用ASME B16.34 SPL《法蘭、螺紋和焊連接的閥門》。主要設計計算包含以下內容：

①閥體的厚度；②密封面上的總作用力及比壓；③閥桿強度計算；④閥桿穩定性；⑤閥座和閥瓣強度計算；⑥填料室強度計算；⑦閥體頂部邊緣應力計算；⑧四分環強度校核計算；⑨閥瓣導向筋抗剪力校核計算；⑩閥門總扭矩計算；11閥桿螺母螺紋強度校核；12立柱連接螺栓強度校核計算；13填料壓蓋和壓板的強度校核計算。

5結語

此小口徑超臨界全鍛造閘閥為600 MW機組產品。目前，國內開發設計的閘閥大多數均為鑄造結構。由于目前國內閥門鑄造水平落后，鑄造缺陷多、質量差，造成閥體焊補量大，甚至有些缺陷在運行工程中逐漸暴露，對機組的水壓試驗和安全運行帶來嚴峻的考驗。采用全鍛造結構的閘閥，可以避免鑄造缺陷帶來的質量問題，也是高參數及高性能機組閘閥的發展趨勢。雖然鍛造結構的閘閥價格相對鑄造閥門昂貴，但是，鍛造閥門對于機組的安全運行提供有力保障，而且節省了焊補、維修等費用，一勞永逸。

參考文獻：

[1] 陸培文.閥門設計入門與精通[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 王訓鉅.閥門使用維修手冊[M].北京:中國石化出版社,1998.

[3] ANSI/ASME B16.34-2004,法蘭、螺紋和焊接連接的閥門[S].

endprint

摘要：文章論述了小口徑超臨界全鍛造閘閥設計過程中注意的設計要素，分析了整體鍛造閥體的結構特點、工作原理及性能，討論小口徑超臨界鍛造閘閥設計中面臨的困難以及解決方法、閥門的計算內容及主要零部件的材料。

關鍵詞：超臨界全鍛造閘閥；電站閥門；旁通閥；設計計算

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）17-0017-02

1概述

隨著小型鍋爐火力發電站高能耗，效率低下，環境污染嚴重，而作為火力發電的主要原料煤炭開發的日益枯竭，目前就國家政策而言，國內已經停止批復<600 MW機組火力發電站的建設。而600 MW超臨界機組主蒸汽壓力已經達到24.2 MPa、溫度538 ℃/566 ℃，1 000 MW超超臨界機組主蒸汽壓力已經達到31 MPa、溫度593 ℃，主給水系統壓力相應的也會更高。隨著高參數，大機組及超臨界、超超臨界火電機組的大量投產運行，對發電機組的性能要求越來越高，由于閘閥具有使用溫度高、承壓高、口徑大、密封可靠、可雙向密封等優點，在火力機組中得到廣泛的應用，來控制高溫高壓汽水介質的有效啟閉。

2工作原理及結構特點

閘閥作為隔斷類閥門的一種，用來接通或截斷管路中的介質。其結構特點有流體阻力小、啟閉力矩小、結構長度較短、密封性能好等，但其密封面也易損傷、啟閉時間長、結構較為復雜。全鍛造小口徑閘閥也面臨高溫高壓介質使中腔憋壓，啟閉困難和中腔尺寸小，無法焊接導向筋等困難。下面就如何設計此閥門的一些細節給出一點意見。

小口徑超臨界全鍛造閘閥（如圖1所示）是由閥體、閥座、閥瓣、閥桿、均壓環、四分環、填料室、立柱、連接法蘭、電裝等組成。鍛造閘閥閥體是由毛坯鋼錠整體鍛造成型，閥門內部主要零部件如閥桿、填料室、閥瓣、閥座、均壓環等也均采用鍛件。鍛件毛坯均按照常規鍛造工藝，在鍛壓設備上采取自由錘鍛，使得鍛件的外形接近于我們所需的零件外形。其中鍛造閥體為大型鍛件，鍛造程序相對復雜，鍛造設備的要求也更為苛刻，但整體鍛造工藝避免了鑄鋼件閥體鑄造時存在的縮孔、夾渣和疏松等固有缺陷，以保證整體系統的安全。

閥體結構為直流型，全鍛造閥體的加工量大，給生產周期帶來一定的局限性，但閥體加工難度主要是存在于閥體導向筋的加工，由于閥體中腔尺寸的限制，無法在閥體中腔焊接導向筋，所以閥體采用凹導向筋，直接在閥體上加工（如圖2所示），這樣會對加工設備和操作工人有一定的要求。

在介質流入支管與閥門中腔之間增配平衡閥，可防止高溫高壓介質在閥門開啟時形成中腔憋壓，在一定程度上也減輕了閥門對電裝啟閉力矩的要求。當需要開啟閘閥時，先打開平衡閥，使介質通過平衡閥流入閥體中腔，使支管與中腔的壓力保持一致，避免中腔因壓強增大阻礙閥門的開啟，同時密封面在大壓差下，其磨損和擦傷也會加劇，先開平衡閥再開主閥減少了密封面的磨損，延長閥門使用壽命。閥體與連接法蘭間采用立柱連接，拆卸方便簡捷。超臨界全鍛造閘閥介質的溫度和壓力都比較高，對閥桿密封填料的要求也較其他參數閥門較嚴格，密封填料采用上、下盤根與柔性石墨組合使用，確保密封效果。中腔采用壓力自緊式密封結構，介質壓力越大閥門的密封性能越好。閥瓣的設計有彈性閥瓣、楔式閥瓣和平行式閥瓣，我們這里采用的是楔式雙閥瓣，此閥瓣對楔角的加工精度要求低，容易密封，溫度變化不易造成擦傷，且隨著密封面的磨損閥瓣具有一定的自我補償功能，延長閥門使用壽命，密封面磨損后維修也較為方便。閥座也采用鍛造來制造，閥座與閥瓣的密封面間均對焊硬質合金材料，保障密封性能好的同時也盡量延長閥門的使用壽命。

3設計參數及主要材料

該超臨界閘閥的參數為：工作溫度T：369 ℃，工作壓力P：31.3 MPa，公稱通徑DN：150，配管：Φ219×35。閥門主要用在過熱器二級減溫水總管道上，作切斷介質用。

主要零件材質見表1。

4設計計算包含的內容

本閥門設計標準采用ASME B16.34 SPL《法蘭、螺紋和焊連接的閥門》。主要設計計算包含以下內容：

①閥體的厚度；②密封面上的總作用力及比壓；③閥桿強度計算；④閥桿穩定性；⑤閥座和閥瓣強度計算；⑥填料室強度計算；⑦閥體頂部邊緣應力計算；⑧四分環強度校核計算；⑨閥瓣導向筋抗剪力校核計算；⑩閥門總扭矩計算；11閥桿螺母螺紋強度校核；12立柱連接螺栓強度校核計算；13填料壓蓋和壓板的強度校核計算。

5結語

此小口徑超臨界全鍛造閘閥為600 MW機組產品。目前，國內開發設計的閘閥大多數均為鑄造結構。由于目前國內閥門鑄造水平落后，鑄造缺陷多、質量差，造成閥體焊補量大，甚至有些缺陷在運行工程中逐漸暴露，對機組的水壓試驗和安全運行帶來嚴峻的考驗。采用全鍛造結構的閘閥，可以避免鑄造缺陷帶來的質量問題，也是高參數及高性能機組閘閥的發展趨勢。雖然鍛造結構的閘閥價格相對鑄造閥門昂貴，但是，鍛造閥門對于機組的安全運行提供有力保障，而且節省了焊補、維修等費用，一勞永逸。

參考文獻：

[1] 陸培文.閥門設計入門與精通[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 王訓鉅.閥門使用維修手冊[M].北京:中國石化出版社,1998.

[3] ANSI/ASME B16.34-2004,法蘭、螺紋和焊接連接的閥門[S].

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摘要：文章論述了小口徑超臨界全鍛造閘閥設計過程中注意的設計要素，分析了整體鍛造閥體的結構特點、工作原理及性能，討論小口徑超臨界鍛造閘閥設計中面臨的困難以及解決方法、閥門的計算內容及主要零部件的材料。

關鍵詞：超臨界全鍛造閘閥；電站閥門；旁通閥；設計計算

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）17-0017-02

1概述

隨著小型鍋爐火力發電站高能耗，效率低下，環境污染嚴重，而作為火力發電的主要原料煤炭開發的日益枯竭，目前就國家政策而言，國內已經停止批復<600 MW機組火力發電站的建設。而600 MW超臨界機組主蒸汽壓力已經達到24.2 MPa、溫度538 ℃/566 ℃，1 000 MW超超臨界機組主蒸汽壓力已經達到31 MPa、溫度593 ℃，主給水系統壓力相應的也會更高。隨著高參數，大機組及超臨界、超超臨界火電機組的大量投產運行，對發電機組的性能要求越來越高，由于閘閥具有使用溫度高、承壓高、口徑大、密封可靠、可雙向密封等優點，在火力機組中得到廣泛的應用，來控制高溫高壓汽水介質的有效啟閉。

2工作原理及結構特點

閘閥作為隔斷類閥門的一種，用來接通或截斷管路中的介質。其結構特點有流體阻力小、啟閉力矩小、結構長度較短、密封性能好等，但其密封面也易損傷、啟閉時間長、結構較為復雜。全鍛造小口徑閘閥也面臨高溫高壓介質使中腔憋壓，啟閉困難和中腔尺寸小，無法焊接導向筋等困難。下面就如何設計此閥門的一些細節給出一點意見。

小口徑超臨界全鍛造閘閥（如圖1所示）是由閥體、閥座、閥瓣、閥桿、均壓環、四分環、填料室、立柱、連接法蘭、電裝等組成。鍛造閘閥閥體是由毛坯鋼錠整體鍛造成型，閥門內部主要零部件如閥桿、填料室、閥瓣、閥座、均壓環等也均采用鍛件。鍛件毛坯均按照常規鍛造工藝，在鍛壓設備上采取自由錘鍛，使得鍛件的外形接近于我們所需的零件外形。其中鍛造閥體為大型鍛件，鍛造程序相對復雜，鍛造設備的要求也更為苛刻，但整體鍛造工藝避免了鑄鋼件閥體鑄造時存在的縮孔、夾渣和疏松等固有缺陷，以保證整體系統的安全。

閥體結構為直流型，全鍛造閥體的加工量大，給生產周期帶來一定的局限性，但閥體加工難度主要是存在于閥體導向筋的加工，由于閥體中腔尺寸的限制，無法在閥體中腔焊接導向筋，所以閥體采用凹導向筋，直接在閥體上加工（如圖2所示），這樣會對加工設備和操作工人有一定的要求。

在介質流入支管與閥門中腔之間增配平衡閥，可防止高溫高壓介質在閥門開啟時形成中腔憋壓，在一定程度上也減輕了閥門對電裝啟閉力矩的要求。當需要開啟閘閥時，先打開平衡閥，使介質通過平衡閥流入閥體中腔，使支管與中腔的壓力保持一致，避免中腔因壓強增大阻礙閥門的開啟，同時密封面在大壓差下，其磨損和擦傷也會加劇，先開平衡閥再開主閥減少了密封面的磨損，延長閥門使用壽命。閥體與連接法蘭間采用立柱連接，拆卸方便簡捷。超臨界全鍛造閘閥介質的溫度和壓力都比較高，對閥桿密封填料的要求也較其他參數閥門較嚴格，密封填料采用上、下盤根與柔性石墨組合使用，確保密封效果。中腔采用壓力自緊式密封結構，介質壓力越大閥門的密封性能越好。閥瓣的設計有彈性閥瓣、楔式閥瓣和平行式閥瓣，我們這里采用的是楔式雙閥瓣，此閥瓣對楔角的加工精度要求低，容易密封，溫度變化不易造成擦傷，且隨著密封面的磨損閥瓣具有一定的自我補償功能，延長閥門使用壽命，密封面磨損后維修也較為方便。閥座也采用鍛造來制造，閥座與閥瓣的密封面間均對焊硬質合金材料，保障密封性能好的同時也盡量延長閥門的使用壽命。

3設計參數及主要材料

該超臨界閘閥的參數為：工作溫度T：369 ℃，工作壓力P：31.3 MPa，公稱通徑DN：150，配管：Φ219×35。閥門主要用在過熱器二級減溫水總管道上，作切斷介質用。

主要零件材質見表1。

4設計計算包含的內容

本閥門設計標準采用ASME B16.34 SPL《法蘭、螺紋和焊連接的閥門》。主要設計計算包含以下內容：

①閥體的厚度；②密封面上的總作用力及比壓；③閥桿強度計算；④閥桿穩定性；⑤閥座和閥瓣強度計算；⑥填料室強度計算；⑦閥體頂部邊緣應力計算；⑧四分環強度校核計算；⑨閥瓣導向筋抗剪力校核計算；⑩閥門總扭矩計算；11閥桿螺母螺紋強度校核；12立柱連接螺栓強度校核計算；13填料壓蓋和壓板的強度校核計算。

5結語

此小口徑超臨界全鍛造閘閥為600 MW機組產品。目前，國內開發設計的閘閥大多數均為鑄造結構。由于目前國內閥門鑄造水平落后，鑄造缺陷多、質量差，造成閥體焊補量大，甚至有些缺陷在運行工程中逐漸暴露，對機組的水壓試驗和安全運行帶來嚴峻的考驗。采用全鍛造結構的閘閥，可以避免鑄造缺陷帶來的質量問題，也是高參數及高性能機組閘閥的發展趨勢。雖然鍛造結構的閘閥價格相對鑄造閥門昂貴，但是，鍛造閥門對于機組的安全運行提供有力保障，而且節省了焊補、維修等費用，一勞永逸。

參考文獻：

[1] 陸培文.閥門設計入門與精通[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 王訓鉅.閥門使用維修手冊[M].北京:中國石化出版社,1998.

[3] ANSI/ASME B16.34-2004,法蘭、螺紋和焊接連接的閥門[S].

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