帶散熱器高溫高壓耐腐抗磨安全閥

1、帶散熱器高溫高壓耐腐抗磨安全閥永嘉胡陳春一、立項(xiàng)的背景和意義安全閥是啟閉件受外力作用下處于常閉狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)的介質(zhì)壓力升高超過規(guī)定值時(shí)，通過向系統(tǒng)外排放介質(zhì)來防止管道或設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值的特殊閥門，是鍋爐、壓力容器和其他受壓力設(shè)備上重要的安全附件，控制壓力不超過規(guī)定值，對(duì)人身安全和設(shè)備運(yùn)行起重要保護(hù)作用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，在帶有壓力操控的設(shè)備項(xiàng)目工程越來越多，鑒于設(shè)備泄壓的需要，安全閥在保護(hù)設(shè)備過程中起到至關(guān)重要的作用。 2007年到2013年，中國(guó)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)，專家預(yù)測(cè)在未來幾年GDP的增長(zhǎng)速度亦較為樂觀，將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)用電需求的進(jìn)一步增長(zhǎng)。同時(shí)根據(jù)國(guó)家“十二五”規(guī)劃

2、，節(jié)能減排成為我國(guó)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要方向，關(guān)閉大批能效低、污染重的小火電機(jī)組，在很大程度上加快了國(guó)內(nèi)火電設(shè)備的更新?lián)Q代，拉動(dòng)火電設(shè)備市場(chǎng)需求。因此，火力發(fā)電業(yè)的改革需要大量的安全閥支持，來防止壓力設(shè)備和容器或易引起壓力升高或容器內(nèi)部壓力超過限度而發(fā)生爆裂?，F(xiàn)有技術(shù)的安全閥應(yīng)用在被保護(hù)系統(tǒng)的管線或壓力容器上，以保證管線或者壓力容器的安全性，目前的安全閥雖然解決了自動(dòng)泄壓、安裝簡(jiǎn)便、體積小的問題，但均存在一定的缺陷，比如散熱不好，開啟或者關(guān)閉時(shí)動(dòng)作不夠流暢，影響使用效果；運(yùn)行時(shí)不夠平穩(wěn)，耐磨抗擦性能不好，影響了密閉穩(wěn)定性和使用壽命，調(diào)整不便，安裝維護(hù)復(fù)雜；不能解決彈簧受熱無法散發(fā)，閥桿和閥瓣連

3、接不精準(zhǔn)等缺點(diǎn)；特別是因安全閥失效或者損壞產(chǎn)生的特種設(shè)備事故，造成了人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失等問題。本公司根據(jù)目前先進(jìn)安全閥的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)合公司多年來安全閥研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)與成果，研究用于鍋爐鍋筒或過熱器的超壓泄放的帶散熱器高溫高壓耐腐抗磨安全閥，選用較為堅(jiān)硬不易磨損的材料，以保證有較高精度的密封性和可靠性，具有耐腐抗磨的效果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮加工工藝，提高安全閥散熱效果，開啟關(guān)閉精準(zhǔn)、密封效果良好，工作穩(wěn)定可靠，操作維護(hù)方便，適合高溫高壓場(chǎng)合。項(xiàng)目的成功，為企業(yè)占據(jù)高端安全閥市場(chǎng)提供良好的市場(chǎng)，并促進(jìn)我國(guó)電站安全閥門的發(fā)展，滿足火力發(fā)電行業(yè)改革需要，進(jìn)一步提高能源轉(zhuǎn)換效率來滿足生活用電，對(duì)火力發(fā)電行業(yè)

4、具有重要的意義。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)安全閥是鍋爐、壓力容器和其他受壓力設(shè)備上重要的安全附件，即安全泄放裝置，控制壓力不超過設(shè)定壓力時(shí)，閥門閥口開啟用以泄放被保護(hù)系統(tǒng)的超壓。當(dāng)壓力降至規(guī)定值時(shí)，閥門自動(dòng)關(guān)閉，從而保護(hù)機(jī)組的安全運(yùn)行。自從法國(guó)工程師1707年發(fā)明第一臺(tái)重錘式安全閥以來，現(xiàn)在安全閥結(jié)構(gòu)已有了很大的發(fā)展，主要有彈簧直接載荷式、重錘式、靜重式、電磁輔助加載或卸載式、脈沖式等。國(guó)際市場(chǎng)上具有代表性的安全閥廠家有安德森、格林伍德和克勞斯比。我國(guó)對(duì)安全閥的研究起步還是較晚，但發(fā)展速度很快。近年來，陸續(xù)突破了材料、設(shè)計(jì)、制造等方面的技術(shù)難題，主要的研究集中在安全閥的結(jié)構(gòu)和性能方面。國(guó)內(nèi)主

5、要研究的安全閥有彈簧式、杠桿式、先導(dǎo)式三大類。比較具有代表性的研究有：高雪云等采用掃描電子顯微鏡對(duì)鑄造高溫合金安全閥斷口進(jìn)行觀察，分析了安全閥密封結(jié)合面失效斷裂的影響因素；劉龍等通過有限元軟件對(duì)核電安全閥進(jìn)行抗震分析，獲得了核電安全閥設(shè)計(jì)的可靠依據(jù)。較有發(fā)展前景的企業(yè)有永一閥門集團(tuán)的安全閥和羅浮閥門集團(tuán)的安全閥，對(duì)安全閥的彈簧失效、閥桿彎曲、閥瓣安裝不當(dāng)、密封面泄露等技術(shù)具有較好的經(jīng)驗(yàn)，成為國(guó)內(nèi)較為知名的安全閥生產(chǎn)企業(yè)。而我們企業(yè)也重視安全閥的研究生產(chǎn)、加快產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，進(jìn)行高溫高壓和耐磨技術(shù)的更新，使高溫高壓安全閥從研究開發(fā)到生產(chǎn)銷售，經(jīng)歷多次技術(shù)變更，從安全閥的功能原理、結(jié)構(gòu)、工藝、材料

6、等研究，解決安全閥的耐磨、耐腐、耐高溫高壓、起跳壓力、機(jī)械摩擦、整定壓力、測(cè)量精度、自動(dòng)化程度等優(yōu)越性能的帶散熱器高溫高壓耐腐抗磨安全閥，實(shí)現(xiàn)閥門的零泄漏、耐腐抗磨、安全可能、性能穩(wěn)定。三、研究開發(fā)內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵 1、研究開發(fā)內(nèi)容1）分析安全閥的結(jié)構(gòu)特征和工作原理，建立安全閥數(shù)學(xué)模型，通過CAD輔助設(shè)計(jì)、workbench軟件仿真分析，并建立三維裝配模型，根據(jù)熱力學(xué)、流體力學(xué)和熱工理論基本定律進(jìn)行高溫高壓閥體溫度分布、熱傳導(dǎo)、閥體熱應(yīng)力應(yīng)變和閥腔介質(zhì)流體特性的研究。2）考慮各種因素，為防止可能出現(xiàn)的問題以及安全生產(chǎn)，進(jìn)行安全閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、密封分析、背壓將影響其動(dòng)作特性，在溫高高壓下材料的耐高溫

7、耐腐抗磨性能研究，以及閥門散熱結(jié)構(gòu)，并安全閥進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，能夠滿足使用功能。3）研究安全閥的回座壓力與排放壓力影響其動(dòng)作的靈敏性與排放的穩(wěn)定性，安全閥內(nèi)臺(tái)階限位結(jié)構(gòu)，可能造成閥瓣全開時(shí)受到?jīng)_擊力而造成閥瓣變形，閥座與閥體連接采用焊接工藝，但焊接時(shí)材料易產(chǎn)生應(yīng)力變化，局部材料由于焊接會(huì)導(dǎo)致龜裂。4）在高溫高壓工況下，閥門主體材料的選用、閥座、閥瓣密封面的耐腐耐磨材料以及加工工藝、彈簧與其他緊固件的材料選用，確保產(chǎn)品性能可靠，使用壽命長(zhǎng)。2、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)1、在閥體與閥蓋間采用散熱器結(jié)構(gòu)，緊貼閥蓋與閥桿周圍，有效解決熱傳導(dǎo)散熱性能，避免彈簧溫度過高導(dǎo)致性能下降或不穩(wěn)定，使工作性能達(dá)到精準(zhǔn)可靠

8、的效果。2、閥門主體采用高溫合金鋼C12A，閥座采用耐高溫奧氏體不銹鋼鍛件F310，閥桿選用奧氏體不銹鋼SA276 XM-19，其閥座密封面和閥桿頭部采用堆焊Co基硬質(zhì)合金，閥瓣選用鍛件Inconel 718，彈簧采用耐高溫30W4Cr2VA，以這些優(yōu)質(zhì)的耐高溫材質(zhì)組合實(shí)現(xiàn)耐溫、耐壓、耐腐和抗磨的目的。3、項(xiàng)目采用背壓調(diào)整結(jié)構(gòu)，其由罩蓋、背壓調(diào)整螺母、背壓調(diào)節(jié)螺釘、閥瓣保持螺母等組成，輔助調(diào)節(jié)閥門的回座壓力及排放壓力，有效克服了背壓對(duì)安全閥排量和整定壓力的影響。四、預(yù)期目標(biāo)（主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請(qǐng)情況、應(yīng)用前景）1、項(xiàng)目主要技術(shù)指標(biāo)：1）公稱尺寸：NPS482）壓力等級(jí)：CL2500；

9、3）適用溫度：510；4）整定壓力：18.6MPa±1%；5）適用介質(zhì)：蒸汽。2、主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：1）年新增產(chǎn)值350萬元；2）實(shí)現(xiàn)利稅120萬元。3、知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請(qǐng)情況： 我公司在項(xiàng)目完成后，將具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)權(quán)歸公司所有。4、應(yīng)用前景： 在“十二五”規(guī)劃中，中央著重強(qiáng)調(diào)重大裝備制造業(yè)國(guó)產(chǎn)化的戰(zhàn)略，爭(zhēng)取在短期內(nèi)盡可能重大工程項(xiàng)目和關(guān)鍵閥門實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化或部分實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，使我國(guó)安全閥制造業(yè)走在世界前列，這為安全閥制造業(yè)帶來了千載難逢的發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)，投資者對(duì)高壓安全閥市場(chǎng)的關(guān)注越來越密切，這使得高壓安全閥市場(chǎng)越來越受到各方的關(guān)注，截止2013年各類安全閥制造商和貿(mào)易商已超過700多家

10、。然而，節(jié)能減排成為我國(guó)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要方向，關(guān)閉大批能效低、污染重的小火電機(jī)組，在很大程度上加快了國(guó)內(nèi)火電設(shè)備的更新?lián)Q代，拉動(dòng)火電設(shè)備市場(chǎng)需求，因此，火力發(fā)電業(yè)的改革需要大量的安全閥支持，來防止壓力設(shè)備和容器或易引起壓力升高或容器內(nèi)部壓力超過限度而發(fā)生爆裂。安全閥供求市場(chǎng)明顯升溫，市場(chǎng)前景良好。五、研究方案、技術(shù)路線，組織方式與課題分解1、研究方案：1）項(xiàng)目產(chǎn)品在火電機(jī)組的主旁路，高溫高壓蒸汽與閥體、閥體內(nèi)部各零部件、閥體與周圍環(huán)境之間都存在熱量傳遞，其在高溫高壓情況下，項(xiàng)目產(chǎn)品的性能卓越，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均應(yīng)滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和特定工況下的正常運(yùn)作，且具有排放系數(shù)大、開啟壓力準(zhǔn)確、啟

11、閉壓差小、密封性能好、調(diào)整方便的特點(diǎn)，所以我們必須對(duì)安全閥的結(jié)構(gòu)特征和工作原理進(jìn)行充分地分析和研究。公司研發(fā)小組建立安全閥數(shù)學(xué)模型，通過CAD輔助設(shè)計(jì)、workbench軟件進(jìn)行建模、仿真、分析，并建立三維裝配模型，根據(jù)安全閥的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)特性，并充分利用熱力學(xué)、流體力學(xué)和熱工理論基本定律進(jìn)行高溫高壓閥體溫度分布、熱傳導(dǎo)、閥體熱應(yīng)力應(yīng)變和閥腔介質(zhì)流體特性的研究，得到最優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)、熱、流體等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為安全閥結(jié)構(gòu)、功能、材料等提供研究依據(jù)。2）考慮各種因素，為防止可能出現(xiàn)的問題以及安全生產(chǎn)，進(jìn)行安全閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、密封分析、背壓將影響其動(dòng)作特性：將安全閥的閥座與閥體采用無應(yīng)力安裝方式，確保噴嘴與閥

12、體結(jié)合緊密，避免在閥體材料上采用焊接工藝所帶來的材料應(yīng)力變化和局部材料由于焊接導(dǎo)致的龜裂。閥瓣采用熱應(yīng)力補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)，充分利用閥瓣的熱變形來達(dá)到密封，熱閥瓣被做成舌形結(jié)構(gòu)，以利用其微小的彈性作用來防止泄露。其閥瓣帶有彈性密封唇，壓力越高，密封越可靠。閥瓣套外圓設(shè)計(jì)有溝槽可降低熱膨脹的影響。安全閥采用背壓調(diào)整結(jié)構(gòu)，其由罩蓋、背壓調(diào)整螺母、背壓調(diào)節(jié)螺釘、閥瓣保持螺母等組成，輔助調(diào)節(jié)閥門的回座壓力及排放壓力，有效克服了背壓對(duì)安全閥排量和整定壓力的影響。在閥門全開啟時(shí)需有開高限位結(jié)構(gòu)，采用在閥桿上安裝一個(gè)開高限位套，在安全閥全開啟時(shí)限位套與罩蓋下端面接觸而限位，避免閥瓣套因受強(qiáng)大的沖擊力而變形。然而，通

13、過流體力學(xué)計(jì)算、泄放截面積計(jì)算、介質(zhì)對(duì)彈簧的作用力計(jì)算、排放量的計(jì)算等，通過上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算分析研究，使閥門能夠滿足使用功能。3）安全閥工作環(huán)境嚴(yán)苛，零部件失效形式主要分為結(jié)構(gòu)性破壞和功能性破壞，包括彈簧失效、閥桿彎曲、閥體破裂、密封面泄露等，安全閥要求零部件材料具有較好的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐腐蝕性和抗磨損等性能。所以在高溫高壓工況下，我們研究閥門主體材料的選用、閥座、閥瓣密封面的耐腐耐磨材料以及加工工藝、彈簧與其他緊固件的材料選用，這對(duì)確保安全閥的安全可靠運(yùn)行、產(chǎn)品性能可靠，使用壽命長(zhǎng)顯得非常重要。我們的選材如下：1）殼體材料的選用：殼體選用鑄造成形，選用最高適用溫度為600的高溫合金鋼C12A。2）內(nèi)件材料的選用：閥座選用耐高溫奧氏體不銹鋼鍛件F310，采用堆焊Co基硬質(zhì)合金，確保其耐腐蝕、抗沖蝕、耐擦傷、有足夠的擠壓強(qiáng)度、在高溫下有足夠的抗氧化性抗熱疲勞性、密封面與本體有相近的線膨脹系數(shù)、有良好的焊接性能與加工性能；閥瓣選鍛件Inconel718，密封面本體加工，不需堆焊；閥桿選用奧氏體不銹鋼SA276 XM-19，其頭部采用堆焊Co基硬質(zhì)合金，是安全閥中的關(guān)鍵零件，主要起傳導(dǎo)載荷作用，在580度高溫下仍有很好的機(jī)械性能。3)緊固件材料的選用：-29593的高溫合金屬鋼，螺柱選用SA193 B16全螺紋螺柱，螺母選用SA194 7。4)彈簧材料的選