電站閥門設(shè)計制造介紹

電站閥門技術(shù)介紹

魏玉斌

(1.0h)

2009年8月1.定義和術(shù)語2.閥門類別3.閥門的強度與密封4.閥門型號5.電站閥門

5.1概述5.2閥門選型設(shè)計（選型）5.3結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4設(shè)計計算目次：附：附A典型閥門介紹附B閥門招標文件及技術(shù)規(guī)范應(yīng)注意的問題1.定義和術(shù)語

1.1定義:用來控制管道內(nèi)介質(zhì)的，具有可動的機械產(chǎn)品的總體（見GB/T21465-20082.1）閥門是在流體系統(tǒng)中，用來控制流體的方向、壓力、流量的裝置。閥門是使配管和設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)（液體、氣體、粉末）流動或停止、并能控制其流量的裝置。1.2閥門參數(shù)代表閥門特征的一些數(shù)據(jù)或符號，稱為閥門的參數(shù)。如，口徑（規(guī)格），壓力（公稱壓力），溫度，介質(zhì)，流量，材料，驅(qū)動方式等等。閥門口徑：一般用DN（mm）或NPS（in英寸”）表示，如DN50、DN100、DN600、8”、12”等?？趶绞谴黹y門名義尺寸的重要參數(shù)。2.閥門類別2.1按應(yīng)用領(lǐng)域分類，一般分為：石化閥門，大約占48%

電站閥門，大約占17%其它，如鋼鐵、冶金、建筑、醫(yī)療、食品等。大約占35%

2.2按結(jié)構(gòu)形式分類（18類）

各類閥門流阻比較閘閥與截止閥流量和流阻比較2.3按照驅(qū)動方式分類手動閥門電動閥門液動或氣動閥門2.4按公稱壓力分類真空閥：指工作壓力低于標準大氣壓的閥門。低壓閥：指公稱壓力PN≤1.6Mpa的閥門。中壓閥：指公稱壓力PN為2.5、4.0、6.4Mpa的閥門。高壓閥：指工稱壓力PN為10～15.0Mpa的閥門。超高壓閥：指公稱壓力PN≥15.0Mpa的閥門。高溫高壓/亞臨界閥門：P54100、P54140、P57170等超臨界閥門：566℃，24.6MPa超超臨界閥門：605℃，27.56MPa2.5按工作溫度分類超低溫閥：用于介質(zhì)工作溫度t＜－100℃的閥門。低溫閥：用于介質(zhì)工作溫度－100℃≤t≤－40℃的閥門。常溫閥：用于介質(zhì)工作溫度－40℃≤t≤120℃的閥門。中溫閥：用于介質(zhì)工作溫度120℃＜t≤425℃的閥門。高溫閥：用于介質(zhì)工作溫度t＞450℃的閥門。3.閥門的強度與密封閥門結(jié)構(gòu)和密封圖例3.1閥門的強度與剛度閥門強度閥門剛度一般來說，設(shè)計科學，選型合理的閥門，不會因強度、剛度產(chǎn)生破壞。低溫閥門、低壓大規(guī)格閥門應(yīng)注意設(shè)計剛度校核。3.2閥門密封部位閥桿填料密封和上密封上密封的作用:減緩介質(zhì)對填料侵蝕。不意味著可以帶壓更換填料墊片密封3.2密封原理強制密封、半自動密封

強制密封型式自動密封雙向強制密封閘板單面強制密封閘板自動密封閘板3.3密封機理：塑性密封——非金屬墊片，在密封力作用下發(fā)生塑性變形。一般不能重復(fù)使用。彈性密封——金屬密封環(huán)，在密封力作用下發(fā)生彈性變形，密封環(huán)可以重復(fù)使用。閥門密封綜述：閥門對外部有4處密封，即殼體、填料、閥蓋及上密封。閥門對內(nèi)密封即主密封副1處。不同結(jié)構(gòu)有不同的密封形式。外部密封及內(nèi)部密封均有強制密封、半自動密封和自動密封形式。4.閥門型號

4.1閥門型號應(yīng)盡可能完整表述閥門的參數(shù)。

兩個關(guān)于閥門型號的標準：JB/T308,是有閥門標準委員會提出的。JB/T4018是由鍋爐標準化委員會提出的。二者基本相同。型號各單元含義如右圖所示。

4.2閥門參數(shù)表例1

為了更完整準確的描述閥門參數(shù)，僅僅依靠型號編制所列的內(nèi)容還不夠，很多情況需要列出參數(shù)表格。如，更詳細描述：閥體材料、密封面及驅(qū)動方式等。4.2閥門參數(shù)表例25.電站閥門5.1概述：電站閥門一般是指用于電站高溫高壓系統(tǒng)的高參數(shù)閥門，多采用焊接連接。高參數(shù)閥門：根據(jù)閥門壓力溫度參數(shù)，一般認為，超高壓以上的閥門稱之為高參數(shù)閥門。亦即超高壓以上鍋爐的機組安裝的主汽、主給水的閥門為高參數(shù)閥門。閥門與鍋爐壓力等級對照。閥門壓力劃分有多種不同方式。鍋爐壓力等級的對照如下表閥門與鍋爐壓力等級對照溫度℃閥門壓力等級壓力鍋爐壓力等級壓力450以下高真空＜10-5Pa

真空＜105Pa

低壓＜1.6MPa低壓鍋爐＜2.45MPa中壓1.6~6.4MPa中壓鍋爐2.94~4.90MPa高壓10.0MPa

高壓鍋爐7.84~10.8MPa546~550超高壓15.0MPa超高壓鍋爐11.8~14.7MPa566亞臨界17.0MPa亞臨界鍋爐15.7~19.6MPa水的臨界參數(shù)：壓力22.129MPa、溫度374.15℃576超臨界24.5MPa超臨界鍋爐24.5~25MPa605~650超超臨界27.6MPa超超臨界鍋爐＞27.6MPa700以上

超超臨界鍋爐（國外）＞34.5MPa5.2閥門選型設(shè)計（選型）

5.2.1型式設(shè)計順序（以下，按照600MW超臨界參數(shù)舉一閘閥為例簡介）設(shè)計順序5.2.2

材料選擇：

閥門類型選擇往往要根據(jù)用戶要求選擇，如閘閥、球閥、截止閥等等。閥門類型確定后，按照介質(zhì)工作溫度選擇主體材料。

5.2.3確定壓力等級：管道溫度壓力參數(shù)566℃，24.5MPa的閥門，請確定閥門的壓力級。5.2.4確定公稱直徑：如上述566℃，24.5MPa的閥門，接管尺寸為φ508×40ASTMA335P91材料，請確定閥門的公稱直徑。根據(jù)有關(guān)標準,如ASMEB16.34公稱管徑與內(nèi)徑的對應(yīng)表,按客戶給出的管道尺寸確定閥門規(guī)格.如上述尺寸即可選擇2500Lb,20”閥門。影響閥門規(guī)格的實際因素很多，應(yīng)綜合考慮各種因素。但最主要的是客戶要求。

5.2.5壁厚確定：閥門設(shè)計往往按照有關(guān)標準選擇壁厚，如上述2500Lb-20”可以按ASMEB16.34確定壁厚

如2500Lb-20”內(nèi)徑選II、III方案，則閥門外徑達φ641.9或φ697.4遠遠大于管子外徑的φ508，造成對焊連接的困難，所以，選擇方案I較好5.2.6選擇操作形式：應(yīng)進行操作力或力矩計算，確定操作裝置大小。各種操作方式適用規(guī)格及場合電動——從小到大，各種規(guī)格閥門都有可能需要電動操作，是自動化控制的要求。氣動——多用于有易燃易爆或沒有電源的場合。液動——與氣動相同，適用于需要較大操作力的閥門。手動——適用于中小口徑閥門。一般來說，手動閘閥范圍如下：PN16，DN500以下 150Lb，20”以下PN25，DN500以下 PN40，DN400以下 300Lb，16”以下PN64，DN300以下 PN100，DN300以下 600Lb，12”以下PN160，DN300以下 900Lb，12”以下PN250，DN200以下 1500Lb，8”以下PN420，DN150以下 2500Lb，6”以下齒輪傳動——嚴格地講，屬于手動范圍，國外均列為手動閥門，國內(nèi)閥門行業(yè)上多分開類別，如Z41H，Z541H。一般地說，手動規(guī)格的上限即為齒輪傳動規(guī)格的下限?？梢杂薪徊嬷丿B，要根據(jù)客戶要求決定。因此，齒輪傳動規(guī)格范圍大致如下：5.2.6選擇操作形式續(xù)齒輪傳動規(guī)格范圍如下PN16，DN450~DN900PN25，DN300~800PN40，DN300~500PN64，DN300以下PN100，DN200~400PN160，DN200~250PN250，DN150~225PN320，DN150~225P54140，DN150~225P57140，DN150~225150Lb，8~36”300Lb，8~16”600Lb，8~24”900Lb，5~16”1500Lb，4~162500Lb，4~12”根據(jù)以上推薦范圍，2500Lb-20”閘閥可采用電動操作方式，電動裝置大小應(yīng)根據(jù)操作力計算選擇。該參數(shù)操作牛矩大約為：22000Nm連接形式：一般有，法蘭——適用于水管、低壓蒸汽等管道，方便安裝、維修焊接————適用于高壓蒸汽、有毒、有害、輻射介質(zhì)，安全可靠螺紋——適用于小口徑管道，易于標準化制造管件及安裝快拆——適用于油田等野外，便于快速更換，如卡箍多數(shù)情況下，客戶會指定連接形式。上例的超臨界閘閥采用對接焊連接。綜合材料選擇、壓力等級確定、公稱直徑確定、操作方式和連接形式選擇，可以完成閥門型式設(shè)計，按照閥門型號編制規(guī)定，可給定上述舉例閥門的型號：Z960Y2500LbC12A-20”，型式設(shè)計結(jié)束。5.2.7確定連接形式：5.3結(jié)構(gòu)設(shè)計（仍以閘閥為例）5.3.1.一般要求（1）滿足相關(guān)標準要求，如ANSIB16.34，API600，GB12234，API6D等。注意不同標準的要求，滿足ANSIB16.34不一定滿足API600或GB12234，反之依然。如2500Lb-12”，閥體壁厚ANSIB16.34和GB12224規(guī)定77mm，API600和GB12234規(guī)定為86.6mm。又：2500Lb-3”閥體壁厚ANSIB16.34和GB12224規(guī)定43mm，API600和GB12234規(guī)定為35.8mm。（2）滿足最小流道直徑的要求，管子內(nèi)徑與閥座內(nèi)徑的收縮比ξ不得小于0.65，設(shè)計時蒸汽取0.75，水管取0.85（見下圖）。（3）滿足螺紋制與材料的要求如API600要求中法蘭螺栓用ANSIB1.1螺紋，B7/2H螺栓/螺母材料閥桿螺母材料A439D-2/D-3，熔點不低于1750°F（954℃），[℃=5/9*（°F-32）]（4）滿足結(jié)構(gòu)長度要求如ANSIB16.10GB12221或GB15188.1~15188.4閥門阻力系數(shù)與流道的關(guān)系5.3.2閥座5.3.3閘板計算閘板厚度BM=bM+（4~8）mm比壓計算bM已經(jīng)滿足要求，BM取值太大造成浪費。但應(yīng)滿足標準要求的最小磨損余量確定閘板厚度及BM后，計算閘板最大實體尺寸，如圖所示5.3.4繪制零件圖5.3.5裝配設(shè)計（1）計算理論開啟高度H=(di+D)/2+Δ（2）分配閥體、閥蓋高度（與繪制圖紙交替進行）（3）確定閥桿長度，校算開啟高度等裝配關(guān)系5.3.6結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題（1）閘板厚度及密封面寬度余量不可太大，否則閥體太重，浪費（2）閘板配板寬度取值在1/2~2/3閘板密封面寬度范圍內(nèi)，即新閥門閘板高度按（1/2+2/3）/2BM=0.5832BM（3）閥桿上端面高出閥桿螺母上端面的高度：NPS≤6”，Δ=（1~5）倍磨損余量（2.3~3.3mm）NPS＞6”，Δ=（1~3）倍磨損余量（6.4~12.7mm）（4）閥桿梯形螺紋收尾高出填料壓板（3/4~1.5）閥桿直徑d，d較小系數(shù)取大值，d較大系數(shù)取小值。

結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)束，繪制認可圖交客戶確認。前例的2500LbC12A-20”閘閥結(jié)構(gòu)如下圖

閘閥圖例超臨界閘閥結(jié)構(gòu)、密封原理和機理：雙壓力自密封結(jié)構(gòu)——閥門對外界密封和關(guān)閉件的密封均采用介質(zhì)壓力自動密封結(jié)構(gòu)。密封機理為彈性密封。密封環(huán)材料及角度介紹材料：軟密封環(huán)及金屬密封環(huán)（或鍍銀）角度：15°、18°、30°45°、60°5.4設(shè)計計算5.4.1閥體壁厚及強度計算查標準確定壁厚，應(yīng)進行計算，使圖紙壁厚不小于標準規(guī)定及計算壁厚。自密封部位三個斷面的應(yīng)力計算應(yīng)小于許用應(yīng)力值，如圖。載荷：閥體中部壓力5.4.2密封比壓及閥座焊縫計算載荷：閘板上介質(zhì)壓力、密封預(yù)緊力。注意：閥座應(yīng)進行強度計算，不能認為只是密封或連接焊接。5.4.3閥蓋厚度及強度計算5.4.4.閘板厚度及強度計算

閘板厚度及強度計算（T型槽根部斷面應(yīng)力計算），彈性閘板、雙閘板應(yīng)按照單邊厚度計算值滿足強度要求。閘板彈性槽計算（0.65di）。5.4.5閥桿操作力、力矩、強度及剛性計算5.4.6填料壓緊力及活接螺栓強度計算5.4.7支架筋板計算5.4.8軸承計算5.4.9手輪或驅(qū)動裝置力矩計算附A：典型閥門介紹

1.水壓試驗閥水壓試驗閥，電廠稱堵閥。適用于電站及工業(yè)管道系統(tǒng)上，作鍋爐再熱器、過熱器及管道或其它設(shè)備進行水壓試驗的裝置。應(yīng)注意閥門方向標志。過熱器堵閥，2500Lb~3000Lb，規(guī)格達NPS30”，再熱器冷段、熱段堵閥，600Lb~1500Lb，規(guī)格達40”，滿足1000MW以下機組配套。系統(tǒng)試壓示意圖如下。A1.水壓試驗閥(堵閥）結(jié)構(gòu)圖再熱器堵閥安裝示意圖過熱器堵閥安裝示意圖

安裝于汽輪機高壓缸排汽及各段抽汽管路上。用于保護汽輪機。在給水加熱器或管線出現(xiàn)水位超高時，流體一旦逆流，止回閥快速準確的關(guān)閉密封，迅速隔離汽輪機，使其避免出現(xiàn)超速故障。安裝位置示意圖如下。特點是0.5秒快速關(guān)閉。A2.高排及抽氣止回閥抽汽止回閥結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)現(xiàn)場條件不同，該閥門有氣動、液動、側(cè)裝、頂裝等不同形式。抽汽止回閥及其輔助元件示意圖抽汽止回閥氣動輔助系統(tǒng)圖

A3.沖管閥

沖管閥用于設(shè)備及管道焊接后，清除焊渣、焊豆或鐵屑等雜物。沖管閥導(dǎo)向機構(gòu)閥體導(dǎo)向閘板導(dǎo)向附B閥門招標文件及技術(shù)規(guī)范應(yīng)注意的問題

在招投標活動中，供需雙方應(yīng)盡可能溝通與閥門相關(guān)的參數(shù)、尺寸，如連接管道尺寸。對于諸如閥門材料、壓力溫度等描述要準確。B1.例如，某電廠循環(huán)水蝶閥招標，要求閥門材料為：“所有與介質(zhì)接觸的部件都要采用耐海水腐蝕和耐磨損的材料?！币蟆百u方應(yīng)在投標文件中詳細提供系統(tǒng)各部件的材質(zhì)（設(shè)備各部件具體材質(zhì)表由賣方繪制、填寫），并詳細敘述設(shè)備的防腐措施（海水腐蝕、含沙量較大）。”招標現(xiàn)場開標大約得到三種報價方案。B1報價方案比較方案材料成本系數(shù)價格系數(shù)投標廠家說明IHT200115灰鑄鐵具有一定耐磨性，防腐處理后一定程度上耐海水腐蝕II鎳鑄鐵1.6~1.82~2.52在HT200鐵水中加入鎳（3.0~5.0%）、鉻（0.5~1.0%），防海水腐蝕能力提高4~5倍III鎳基合金＞101.51鎳元素含量54~63%，材料成本高出HT200數(shù)十倍B2.溫度壓力和閥門公稱壓力等級的關(guān)系電廠經(jīng)常用到DN175、DN225的閥門，其不同工作溫度下不同工作壓力對應(yīng)的閥門壓力等級差別很大。如下表：公稱壓力、壓力等級與工作溫度和工作壓力的對應(yīng)關(guān)系PN（Mpa）101525324250CLASS600Lb900Lb1500Lb2000Lb2500Lb30001LbP溫度/10壓力

P54100P54140P54170不同壓力等級的DN175、DN225的閥門DN175、225高溫高壓閥門重量（kg）比較：型

號規(guī)

格驅(qū)動方式連接方式重量I重量II重量III重量IVZ960Y250DN175電動對接焊680423415—Z960YP54100VDN225電動對接焊1310772704680Z960YP54140VDN225電動對接焊19411501—680說明在上表中某廠重量（IV），P54100、P54140同為680kg，很顯然，這是將二者作為同一壓力等級設(shè)計制造的。實際上其公稱壓力相差10.0Mpa之多。該選型方案（IV）是用PN25.0Mpa代替了P54100、P54140。這是非常危險的。如P54100-DN225閥體壁厚為59mm，P54140-DN225閥體壁厚為82mm,如下圖所示。PN25.0Mpa-DN225壁厚更小。此處如果選型不當，無異于在蒸汽管道上安裝了一枚定時炸彈。P54100-DN225與P54140-DN225的比較

B3.閥門公稱通徑與接管尺寸