特大口徑高溫雙閘板閥的設計

單閘板楔式高溫閘閥在煉廠催化裂化裝置煙氣輪機、主風機能量回收機組中廣泛應用，但隨著催化裂化裝置處理量的不斷增大，大口徑的單閘板楔式高溫閘閥在密封效果上遇到了的挑戰，已不能滿足裝置的要求。楔式閘閥有單閘板閥和雙閘板閥兩種結構。單閘板閥是單面密封，密封力主要是楔緊力和介質背壓力，由于楔角的加工存在一定誤差，導致閥板和閥座密封面受力不均，易出現泄漏，特大口徑（DN≥1400mm）的單閘板閥的密封性要求更高。另外，單閘板閥其楔角一般＜5°，不易施加較大的楔緊力而導致閥門開啟失效。新型雙閘板閥設計了特殊的結構，可以克服單閘板閥的不足。
        1 雙閘板閥結構
        本雙閘板閥屬于新型雙面硬密封結構，閥門口徑DN1500，垂直安裝在水平管線上，采用上下雙閥桿、雙執行機構控制，其閥體部分結構見圖1。閥體與上下閥蓋（含填料函）采用厚壁高溫合金鋼板鉚焊結構；閥板呈餅狀，中間厚，周邊逐漸減薄，閥座呈規則環狀結構，座圈和閥板均對稱設計，均采用高溫合金鍛件，閥體內側設計有較薄的平行式輔助導軌，使閥板可在導軌和座圈上平移；兩塊閥板背靠背，并設計有楔緊斜面，由上閥桿將其相連并進行驅動；設計有新型楔緊裝置，由下閥桿驅動，新型楔緊裝置由兩塊中間加工有半球窩的對稱斜度板組成，在其中間安裝一定位球，可以幫助閥板在關閉過程中任意方向調整密封平面，使閥板受力均勻，有效克服兩閥座圈平行度加工誤差對密封可能造成的影響。

圖1 雙閘板結構圖

        2 雙閘板閥密封狀態受力分析
        雙閘板閥從密封結構原理上分為三種，分別是雙面強制密封、單面強制密封和自密封。本閥門口徑特大，雙面強制密封結構需要的驅動力矩非常大，本閥門的技術指標要求不宜選用；而自密封結構，因密封力太小又達不到設計要求；單面強制密封既可以保證足夠的密封力，又不必提供很大的驅動力矩，故選擇單面強制密封結構進行設計。
        密封狀態下雙閘板的受力如圖2所示。若將閥板和楔緊裝置作為一個單元，這個單元在Q，、QG、FZ、Nu1'、Nu2'、QUJ、Fu1'、Fu2'八個力的作用下處于平衡狀態，其中Q，是上閥桿的推力，QG是閥板的重力，FZ是下閥桿的推力，Nu1'、Nu2'分別是進、出口端的密封力，QUJ是介質的靜壓力，Fu1'、Fu2'分別是進、出口端密封面的靜摩擦力。將進、出口端閥板單獨分析：進口端閥板受Q1、QG1、Fu1'、Nu1'、NC'、FC'六個力的共同作用處于平衡狀態，其中Q1是上閥桿分作用力，NC'是楔緊裝置作用在斜面上的正壓力，FC'是楔緊裝置作用在斜面上摩擦力；出口端閥板受Q2、QG2、Fu2'、Nu2'、QUJ、NC'、FC'七個力的共同作用處于平衡狀態，其中Q2是上閥桿分作用力，NC'是楔緊裝置作用在斜面上的正壓力，FC'是楔緊裝置作用在斜面上摩擦力。

圖2 密封狀態下雙閘板的受力圖

        為保證可靠密封，實際密封力NuJ實際≥臨界密封力NuJ臨界時達到密封。設計時取NuJ實際=1.2NuJ臨界
        3 閥桿的穩定性
        上、下閥桿（如圖1所示）的材料選用4Cr14Ni14W2Mo，由于使用雙閘板，在密封狀態需要上、下閥桿軸線方向Q'和FZ兩個力來保持閘板與密封座間的密封力，圖3為楔緊裝置的受力圖，其中FZ為下閥桿的受力。上、下閥桿均屬于細長軸，因此閥桿應進行穩定性校核。

圖3 楔緊裝置受力圖

        3.1 閥桿強度計算
        取密封面的寬度2bm=20mm，摩擦系數取0.3，楔形角度2α=30°，由以上參數經計算得：上閥桿的zui大臨界推力Q'臨=500000N；下閥桿的zui大臨界推力FZ臨=700000N，查《實用閥門設計手冊》（第二版）表3-7，P691得，4Cr14Ni14W2Mo在720℃時的抗壓強度是則上、下閥桿強度分別為：

       
        式中：Q'實、F'Z實—密封狀態下，上、下閥桿對閥板的實際作用力，N；
        Q'臨、F'Z臨—臨界密封狀態下，上、下閥桿對閥板的作用力，N；

       
        dF上、dF——上、下閥桿的危險斷面直徑，mm

       
        3.2 閥桿穩定性計算
        閥桿的穩定性與閥桿的細長比λ有關。
        3.2.1 上閥桿穩定性驗算
        （1）上閥桿支承模型如圖4所示。當LF=3146，l=2780時，=0.88F取《實用閥門設計手冊》（第二版）表3-21，P751中一端鉸鏈支承，一端固定支承，對比=0.9時的μλ=0.467，取dF=120mm，則實際細長比λ為：

       
        式中：λ—閥桿的實際細長比；λL—臨界細長比；l—中間支承到端點長度；μλ—支承型式影響系數；LF—計算長度。

圖4 上閥桿支承模型

        （2）臨界細長比λL
        經查《實用閥門設計手冊》（第二版）表3-22，P751，在600℃、650℃時，4Cr14Ni14W2Mo的臨界細長比λL分別是79.5與82.2，按表中數據的變化趨勢得，在720℃時λL＞λ。
        （3）關閉時，閥桿總軸向力QFZ'=600000N。
        （4）閥桿截面積A，查表3-17，P749，取M80×4，則則正應力

       
        （5）實際許用壓應力
        經查圖3-2，P752，當λ=49的值，對應的[σy]=210MPa即：σy＜[σy]
        ∵λ0（-30）＜λ＜λL
        ∴σy＜[σy]=為穩定合格。

圖5 下閥桿支承模型

        3.2.2 下閥桿穩定性驗算
        下閥桿支承模型如圖5所示。當LF=1600，l=1335時，=0.88。實際細長比

       
        按=0.8，查《實用閥門設計手冊》（第二版）表3-21，P751此時對應的應為鉸鏈支承，一端固定支承，則：

       
        又∵λ＜λ0=30
        ∴不進行穩定性計算
        此時閥桿能進入閥體內部分的zui小截面直徑為D=140mm。
        4 結語
        新型高溫雙閘板閥有很多優點：（1）閘板的位置精度要求降低，便于加工；（2）新型楔緊裝置由兩塊中間加工有半球窩的對稱斜度板組成，在其中間安裝一定位球，可幫助閥板在關閉過程中任意方向調整密封平面，使閥板受力均勻，有效克服兩閥座圈平行度加工誤差對密封造成的影響；（3）閥座與閥體采用波紋管方式連接，避免使用大量的高溫螺栓，使用過程更加安全可靠；（4）密封性能大大提高，可以達到密封介質的零泄漏。
        參考文獻
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