安閥流體控制（上海）有限公司 金鳳祿 劉智威 王傳彪

1 引言

天津華能楊柳青熱電有限責(zé)任公司，為了提高機(jī)組供熱期深度調(diào)峰能力和供熱能力，對(duì)電廠7號(hào)機(jī)組進(jìn)行低壓缸零出力供熱技術(shù)改造，其關(guān)鍵部件是供熱與發(fā)電之間的高溫水蒸氣管路的切換用蝶閥[1]。2016—2017 年供熱初期公司三期熱網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，熱網(wǎng)現(xiàn)有供熱蝶閥關(guān)不嚴(yán)，無(wú)法將三期熱網(wǎng)系統(tǒng)徹底進(jìn)行隔離，對(duì)熱電管網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生極大影響[2-3]，所以急需開(kāi)發(fā)滿足工況要求的零泄漏、可調(diào)節(jié)、開(kāi)關(guān)定位、快關(guān)快開(kāi)三偏心金屬密封蝶閥。

2 三偏心金屬密封液動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥技術(shù)要求、設(shè)計(jì)

閥門(mén)必須按API、ASTM 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、選材、制造及試驗(yàn)。質(zhì)量管理及保證應(yīng)遵循ISO9001國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。三偏心蝶閥主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 三偏心蝶閥主要技術(shù)指標(biāo)

3 閥門(mén)設(shè)計(jì)研制

根據(jù)電廠使用工況和技術(shù)要求，閥門(mén)設(shè)計(jì)方案如下。

3.1 閥門(mén)的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)及制造標(biāo)準(zhǔn)為API609、ASME B16.34。法蘭連接標(biāo)準(zhǔn)為ASME B16.47。檢查試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為API598。材料選擇標(biāo)準(zhǔn)為ASTM，電器防護(hù)等級(jí)要達(dá)到IP67[4]。

3.2 材料選擇、壓力等級(jí)的確定

由于閥門(mén)在最大工作溫度289.7℃時(shí)，最大工作壓力1MPa，介質(zhì)是水蒸汽。按閥門(mén)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.34 中的壓力-溫度表，閥門(mén)公稱(chēng)壓力為CLASS150 壓力等級(jí)時(shí)，閥體材料ASTM A216 WCB、蝶板材料ASTM A351 CF8，在300℃時(shí)工作壓力為1.02MPa，大于最大工作壓力，所以閥門(mén)壓力等級(jí)為CLASS 150。

三偏心蝶閥是扭矩密封，在高溫下密封扭矩比較大。壓力容器用馬氏體不銹鋼ASTM A479 431屈服強(qiáng)度620MPa 是奧氏體不銹鋼F316 或F304 的4.5 倍，在300℃的高溫工況時(shí)，屈服強(qiáng)度幾乎沒(méi)有降低，因此閥桿材料選用ASTM A479 431。

閥座用奧氏體不銹鋼鍛件ASTM A182 F304，密封面表面堆焊耐磨并硬度高（>HRC38）STL.21。密封圈采用雙相鋼ASTM A240 S31803（HRC30.6），比316 強(qiáng)度大彈性好，密封副之間的硬度差大于50HB，密封副之間不咬合，延長(zhǎng)閥門(mén)使用壽命。

蝶閥用在低壓缸零出力供熱技術(shù)的發(fā)電和供熱切換系統(tǒng)中，裝置上最高連續(xù)使用溫度298℃，要求在檢修周期內(nèi)（一個(gè)供暖周期）閥桿密封可靠并開(kāi)關(guān)頻繁，滿足電廠防火要求，所以填料選用柔性石墨。根據(jù)工況，緊固件外部的（不與介質(zhì)接觸）選用B7/2H，內(nèi)部的（與介質(zhì)接觸）選用B8/8，密封墊片選用316+石墨。

3.3 蝶閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)保證蝶板密封只是在關(guān)閉位置時(shí)才與閥體閥座接觸，因此不會(huì)產(chǎn)生摩擦或磨損，延長(zhǎng)了閥門(mén)使用壽命，三偏心金屬密封蝶閥如圖1所示。關(guān)閉期間扭矩產(chǎn)生的密封力，均勻一致地作用在整個(gè)圓周周?chē)_保密封接觸的均勻一致性，使得閥門(mén)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向密封，達(dá)到零泄漏的要求。閥桿與蝶閥聯(lián)接如圖2所示。

圖1 三偏心金屬密封蝶閥

圖2 閥桿與蝶閥聯(lián)接

在線維護(hù)不需要把閥門(mén)從現(xiàn)場(chǎng)拉回工廠進(jìn)行維護(hù)，可以在現(xiàn)場(chǎng)更換閥座、密封圈、填料等易損件。蝶閥采用分體式，閥座和蝶板上的密封圈，均采用可以拆卸更換式的單獨(dú)部件，可以現(xiàn)場(chǎng)更換式閥座和密封圈，維護(hù)方便，真正做到在線維護(hù)

閥座和密封圈采用同一個(gè)斜度胎加工，用數(shù)控車(chē)磨一體機(jī)一次裝夾加工完成，從而保證閥座和密封圈密封面的角度和形狀的一致性，其之間的配合吻合度達(dá)到98%以上。浮動(dòng)式閥座和密封圈設(shè)計(jì)，能夠自行調(diào)整對(duì)中。提高閥座和密封圈的密封面之間的配合吻合度，從而提蝶閥的密封性能。

采用一桿式閥桿設(shè)計(jì)，從蝶板背面閥桿孔穿過(guò)，增強(qiáng)了蝶板強(qiáng)度。閥桿和蝶板聯(lián)接采用斜面銷(xiāo)，閥桿上在相應(yīng)位置開(kāi)槽，蝶板上相應(yīng)位置打孔，該種結(jié)構(gòu)比圓柱銷(xiāo)去除閥桿的面積小1/2 以上，增強(qiáng)了閥桿強(qiáng)度，并且不用配打銷(xiāo)軸孔，各部件獨(dú)立加工，提高了工作效率。

由于安裝位置有高頻小幅振動(dòng)，所以零部件之間要有防松措施。蝶板與閥桿聯(lián)接的斜面銷(xiāo)的防松，斜面銷(xiāo)的角度為3°～5°，具有自鎖功能，外面有緊定螺釘鎖定并且斜面銷(xiāo)和緊定螺釘之間有雙面斜齒蝶形墊圈防松。密封圈防松，壓圈上的內(nèi)六角螺釘下面放有雙面斜齒蝶形墊圈防松。閥座防松采用雙層鎖緊螺釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在兩層鎖緊螺釘間放有雙面斜齒蝶形墊圈防松。機(jī)械限位裝置如圖3所示。閥座和密封圈鎖緊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 機(jī)械限位裝置

圖4 閥座和密封圈鎖緊結(jié)構(gòu)

用戶要求閥門(mén)在開(kāi)關(guān)、50%開(kāi)度位置要有機(jī)械限位裝置，保證在限位位置不移動(dòng)。由圖3（機(jī)械限位裝置）可知，在閥桿上裝有止動(dòng)盤(pán)，上面在相應(yīng)位置（開(kāi)位、關(guān)位、及45°位）打有定位孔，在支架上裝有止動(dòng)頂絲，閥門(mén)在相應(yīng)位置將頂絲擰進(jìn)定位孔中，由鎖緊螺母鎖住。止動(dòng)盤(pán)通過(guò)雙鍵之閥桿相聯(lián)。

蝶閥在蝶板上下兩側(cè)分別裝有兩個(gè)各自獨(dú)立的定位套，保證蝶板在垂直方向?qū)χ?，防止因流體壓力、溫度的影響產(chǎn)生蝶板和閥桿組合件整體移動(dòng)、密封面咬合等情況發(fā)生，保證了閥門(mén)在任何工況下的正常工作。

采用柔性石墨唇形組合填料密封閥桿。唇形填料受預(yù)緊力時(shí)，唇邊易脹開(kāi)，與閥桿和填料函緊緊相貼，密封效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通填料。

為了防止因熱輻射作用，使液壓執(zhí)行器部位溫度過(guò)高，影響液壓執(zhí)行器中橡膠類(lèi)密封件的密封，采用加長(zhǎng)支架設(shè)計(jì)，高度加長(zhǎng)到450mm。保證液壓執(zhí)行器部位溫度低于80℃。

蝶板采用龜背、網(wǎng)格式加強(qiáng)筋流線形設(shè)計(jì)。該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不減小蝶閥強(qiáng)度的前提條件下，降低了蝶板重量，使三偏心金屬密封蝶閥在快開(kāi)或快關(guān)時(shí)，蝶板慣性減小。蝶板開(kāi)關(guān)時(shí)對(duì)閥門(mén)的沖擊減小，使得閥門(mén)在運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確。該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使蝶板呈流線型外形，使介質(zhì)通過(guò)閥門(mén)時(shí)流體產(chǎn)生的擾動(dòng)小、紊流弱。從而減小了三偏心金屬密封蝶閥的流阻，使三偏心金屬密封蝶閥通過(guò)能力大，即閥門(mén)的流量系數(shù)大（Cv值大）。

3.4 液壓執(zhí)行器裝置的選擇

為了更好的控制三偏心金屬密封蝶閥開(kāi)關(guān)、快速響應(yīng)、穩(wěn)定的壓力源，采用具有獨(dú)立的電動(dòng)液壓泵站的液壓執(zhí)行器。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)上加裝閥門(mén)開(kāi)度機(jī)械指示針。用戶可以直觀地觀察到三偏心金屬密封蝶閥是開(kāi)還是關(guān)或是走位到哪里，防止誤操作。電動(dòng)液壓泵站上設(shè)有控制箱、手動(dòng)泵、蓄能器、儲(chǔ)油箱等。

用戶要求閥門(mén)快開(kāi)快關(guān)（<15s）。為此采用高壓液壓站供油，油壓12～14MPa，以減少用油量，加大進(jìn)油管和回油管直徑，加大供油量，回油管徑大于進(jìn)油管徑，減少回油阻力。供油管接口尺寸Φ16×2.5mm，回油管尺寸Φ25×2.5mm。為了滿足防火和防護(hù)等級(jí)要求，液壓油采用抗燃油（EH液壓油)，具有一定的腐蝕性，所有密封橡膠件采用氟橡膠（FKM)。為了實(shí)現(xiàn)故障開(kāi)功能，當(dāng)斷電時(shí)，電磁換向閥8 左位自動(dòng)接入系統(tǒng)，并啟動(dòng)蓄能器釋放高壓大流量液壓油，快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)三偏心金屬密封蝶閥故障開(kāi)啟的功能。

電動(dòng)液壓泵站配有應(yīng)急手搖泵系統(tǒng)，在其他功能喪失的情況下可以手動(dòng)開(kāi)關(guān)三偏心金屬密封蝶閥。

電氣系統(tǒng)中電氣控制采用可編程序控制器PLC模擬量模塊、FDPS開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、MSC106-43訊號(hào)處理器和不間斷電源UPS 等部件，確保在無(wú)人看管泵站出現(xiàn)故障時(shí)蝶閥能夠正常工作，保障工作系統(tǒng)安全。可編程控制器PLC 模擬量模塊是電氣系統(tǒng)的中心部件，該控制器可以使用多種通用編寫(xiě)程序編寫(xiě)，并且可以反復(fù)修改和調(diào)整，通過(guò)輸入的控制程序控制蝶閥的動(dòng)作順序，可以滿足用戶的操作要求。設(shè)有的多處調(diào)節(jié)點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況修改開(kāi)啟和關(guān)閉設(shè)定程序，保證蝶閥能夠自動(dòng)按設(shè)定的時(shí)間及角度開(kāi)啟和快、慢兩階段關(guān)閉。控制程序帶有鎖定程序，使用過(guò)程中只有輸入密碼，才能進(jìn)行參數(shù)變動(dòng)，避免了非工作人員的誤操作，進(jìn)一步保證了工作系統(tǒng)的安全[5]。不間斷電源UPS 置于電控箱內(nèi)，停電時(shí)自動(dòng)切換電源。保證停電時(shí)閥門(mén)也能完成正常的關(guān)閉動(dòng)作，保證系統(tǒng)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

三偏心金屬密封蝶閥設(shè)計(jì)理念、制造工藝先進(jìn)，摩擦阻力小，驅(qū)動(dòng)力矩小，操作簡(jiǎn)便、迅速、靈活，使用壽命長(zhǎng)，整機(jī)運(yùn)行安全可靠，開(kāi)關(guān)行程準(zhǔn)確，密封效果達(dá)到零泄漏，電氣系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)達(dá)到了IP67 以上。在華能天津楊柳青火電廠低壓缸零出力供熱試驗(yàn)和一個(gè)共熱周期中，運(yùn)行情況良好，控制性能穩(wěn)定，信號(hào)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤，未發(fā)生任何故障問(wèn)題，完全滿足電廠設(shè)計(jì)和工藝要求。