特大口径高温双闸板阀的设计

        单闸板楔式高温闸阀在炼厂催化裂化装置烟气轮机、主风机能量回收机组中广泛应用，但随着催化裂化装置处理量的不断增大，大口径的单闸板楔式高温闸阀在密封效果上遇到了前所未有的挑战，已不能满足装置的要求。楔式闸阀有单闸板阀和双闸板阀两种结构。单闸板阀是单面密封，密封力主要是楔紧力和介质背压力，由于楔角的加工存在一定误差，导致阀板和阀座密封面受力不均，易出现泄漏，特大口径（DN≥1400mm）的单闸板阀的密封性要求更高。另外，单闸板阀其楔角一般＜5°，不易施加较大的楔紧力而导致阀门开启失效。新型双闸板阀设计了特殊的结构，可以克服单闸板阀的不足。
        1 双闸板阀结构
        本双闸板阀属于新型双面硬密封结构，阀门口径DN1500，垂直安装在水平管线上，采用上下双阀杆、双执行机构控制，其阀体部分结构见图1。阀体与上下阀盖（含填料函）采用厚壁高温合金钢板铆焊结构；阀板呈饼状，中间厚，周边逐渐减薄，阀座呈规则环状结构，座圈和阀板均对称设计，均采用高温合金锻件，阀体内侧设计有较薄的平行式辅助导轨，使阀板可在导轨和座圈上平移；两块阀板背靠背，并设计有楔紧斜面，由上阀杆将其相连并进行驱动；设计有新型楔紧装置，由下阀杆驱动，新型楔紧装置由两块中间加工有半球窝的对称斜度板组成，在其中间安装一定位球，可以帮助阀板在关闭过程中任意方向调整密封平面，使阀板受力均匀，有效克服两阀座圈平行度加工误差对密封可能造成的影响。

图1 双闸板结构图

        2 双闸板阀密封状态受力分析
        双闸板阀从密封结构原理上分为三种，分别是双面强制密封、单面强制密封和自密封。本阀门口径特大，双面强制密封结构需要的驱动力矩非常大，本阀门的技术指标要求不宜选用；而自密封结构，因密封力太小又达不到设计要求；单面强制密封既可以保证足够的密封力，又不必提供很大的驱动力矩，故选择单面强制密封结构进行设计。
        密封状态下双闸板的受力如图2所示。若将阀板和楔紧装置作为一个单元，这个单元在Q，、QG、FZ、Nu1'、Nu2'、QUJ、Fu1'、Fu2'八个力的作用下处于平衡状态，其中Q，是上阀杆的推力，QG是阀板的重力，FZ是下阀杆的推力，Nu1'、Nu2'分别是进、出口端的密封力，QUJ是介质的静压力，Fu1'、Fu2'分别是进、出口端密封面的静摩擦力。将进、出口端阀板单独分析：进口端阀板受Q1、QG1、Fu1'、Nu1'、NC'、FC'六个力的共同作用处于平衡状态，其中Q1是上阀杆分作用力，NC'是楔紧装置作用在斜面上的正压力，FC'是楔紧装置作用在斜面上摩擦力；出口端阀板受Q2、QG2、Fu2'、Nu2'、QUJ、NC'、FC'七个力的共同作用处于平衡状态，其中Q2是上阀杆分作用力，NC'是楔紧装置作用在斜面上的正压力，FC'是楔紧装置作用在斜面上摩擦力。

图2 密封状态下双闸板的受力图

        为保证可靠密封，实际密封力NuJ实际≥临界密封力NuJ临界时达到密封。设计时取NuJ实际=1.2NuJ临界
        3 阀杆的稳定性
        上、下阀杆（如图1所示）的材料选用4Cr14Ni14W2Mo，由于使用双闸板，在密封状态需要上、下阀杆轴线方向Q'和FZ两个力来保持闸板与密封座间的密封力，图3为楔紧装置的受力图，其中FZ为下阀杆的受力。上、下阀杆均属于细长轴，因此阀杆应进行稳定性校核。

图3 楔紧装置受力图

        3.1 阀杆强度计算
        取密封面的宽度2bm=20mm，摩擦系数取0.3，楔形角度2α=30°，由以上参数经计算得：上阀杆的最大临界推力Q'临=500000N；下阀杆的最大临界推力FZ临=700000N，查《实用阀门设计手册》（第二版）表3-7，P691得，4Cr14Ni14W2Mo在720℃时的抗压强度是则上、下阀杆强度分别为：

       
        式中：Q'实、F'Z实—密封状态下，上、下阀杆对阀板的实际作用力，N；
        Q'临、F'Z临—临界密封状态下，上、下阀杆对阀板的作用力，N；

       
        dF上、dF——上、下阀杆的危险断面直径，mm

       
        3.2 阀杆稳定性计算
        阀杆的稳定性与阀杆的细长比λ有关。
        3.2.1 上阀杆稳定性验算
        （1）上阀杆支承模型如图4所示。当LF=3146，l=2780时，=0.88F取《实用阀门设计手册》（第二版）表3-21，P751中一端铰链支承，一端固定支承，对比=0.9时的μλ=0.467，取dF=120mm，则实际细长比λ为：

       
        式中：λ—阀杆的实际细长比；λL—临界细长比；l—中间支承到端点长度；μλ—支承型式影响系数；LF—计算长度。

图4 上阀杆支承模型

        （2）临界细长比λL
        经查《实用阀门设计手册》（第二版）表3-22，P751，在600℃、650℃时，4Cr14Ni14W2Mo的临界细长比λL分别是79.5与82.2，按表中数据的变化趋势得，在720℃时λL＞λ。
        （3）关闭时，阀杆总轴向力QFZ'=600000N。
        （4）阀杆截面积A，查表3-17，P749，取M80×4，则则正应力

       
        （5）实际许用压应力
        经查图3-2，P752，当λ=49的值，对应的[σy]=210MPa即：σy＜[σy]
        ∵λ0（-30）＜λ＜λL
        ∴σy＜[σy]=为稳定合格。

图5 下阀杆支承模型

        3.2.2 下阀杆稳定性验算
        下阀杆支承模型如图5所示。当LF=1600，l=1335时，=0.88。实际细长比

       
        按=0.8，查《实用阀门设计手册》（第二版）表3-21，P751此时对应的应为铰链支承，一端固定支承，则：

       
        又∵λ＜λ0=30
        ∴不进行稳定性计算
        此时阀杆能进入阀体内部分的最小截面直径为D=140mm。
        4 结语
        新型高温双闸板阀有很多优点：（1）闸板的位置精度要求降低，便于加工；（2）新型楔紧装置由两块中间加工有半球窝的对称斜度板组成，在其中间安装一定位球，可帮助阀板在关闭过程中任意方向调整密封平面，使阀板受力均匀，有效克服两阀座圈平行度加工误差对密封造成的影响；（3）阀座与阀体采用波纹管方式连接，避免使用大量的高温螺栓，使用过程更加安全可靠；（4）密封性能大大提高，可以达到密封介质的零泄漏。
        参考文献
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        [6]金海波.现代表面处理新工艺、新技术与新标准[M].北京：当代中国音像出版社，2004，367～401.
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