燃气轮机用燃料控制阀密封结构的改进

    1 概述

    燃气轮机联合循环电厂的整体循环效率高，对环境污染极小，在同等条件下具有投资较低，调峰性能好，启停快捷，占地面积少和耗水量低等优点。近年来，燃气轮机及其联合循环技术获得了快速的发展。燃料控制阀设置在燃气轮机的燃料喷嘴前，用于控制燃机的速度和启停，阀门的密封性能要求很高由燃厂配套进口。在使用过程中，针对该阀门出现开关几十次后球体与阀座表面擦伤泄漏需要更换和寿命短等问题，对阀门的密封结构进行了研究和改进。

    2 技术指标

    公称压力 Class300

    公称通径 NPS8

    使用温度 185℃

    紧急切断时间  ＜0.5s

    泄漏量 ASMEB16.104VI级

    3 结构及材料

    燃料控制阀采用V形开口半球阀结构，在产品试制过程中先后采用了硬密封和软密封两种结构形式。

    3.1 硬密封结构

    该结构基本上与配套进口的V形球阀一致（图1），阀座密封面堆焊硬质合金，球体采用不锈钢喷焊Ni60硬质合金，球体与阀座精加工后再经过配研。在常温下测试，阀座泄漏量达不到ASMEB16.104VI级标准要求。分析认为，金属硬密封结构的V形球阀，由于受结构限制，很难达到VI级泄漏要求。另外，采用该结构同样出现配套进口阀门出现的球体与阀座表面擦伤及寿命短的问题。

图1 硬密封结构

    3.2 软密封结构

    由于燃料控制阀控制介质为185℃，压力约为3.5MPa的天然气，根据阀门使用工况，采用软密封结构应能够满足使用要求（图2）。软密封结构关键在于材料的选择上，既能满足温度和使用压力要求，还能满足泄漏量与寿命要求。最初，选择8000PHB塑料合金作为阀座软密封环，阀门在常温下检测各项性能，都能达到指标，阀座泄漏量达到0泄漏。在185℃热态下试验，检验泄漏量，刚开始没出现什么问题，但在阀门开关100多次后，泄漏量明显增加，而且越来越大。后经拆卸检查阀座，发现软密封环已经变形并被球体的V形口剪切撕裂，证明该材料在185℃左右时，已经软化，故满足不了使用要求（图3）。    

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图2 软密封结构

图3 镶嵌8000PHB塑料合金阀座

    经过分析，采用PEEK（聚醚醚酮）材料做阀座密封环，将其精加工后镶嵌在金属阀座环中，在车床上采用滚压收紧金属阀座环的预留包边，使软阀座被牢固可靠的固定在金属阀座环中，然后再整体加工出密封面，并与球体配研（表1）。

表1 PEEK材料性能表

    经冷态和热态试验证明，PEEK作为阀座密封材料，加上独特的旋压包紧工艺可保证软阀座不会出现脱落现象，完全可以满足阀门的使用要求（图4）。

图4 镶嵌PEEK的金属阀座

    4 试验

    4.1 高温试验

    采用电加热设备，阀前通入0.5～0.6MPa压缩空气，加热温度设定在185℃，由于温度传感器的滞后性，实际的温度在175～198℃之间变化（图5）。阀门开关频率设定为约80s开关一次，从试验开始到结束，阀门共开关1300次。    

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图5 热态实验装置

    经过热态试验完成后，将阀门解体，对阀座密封面检测，密封面光滑，无软化变形痕迹。结果证明改进后的软密封结构是可行的，PEEK材料作为阀座密封材料，在200℃下工作，不会出现软化现象，密封安全可靠（表2）。

表2 镶嵌PEEK的金属阀座的泄漏数据

    4.2 流量试验

    对燃料控制阀进行了实物流量测试。由于结构尺寸与原进口阀发生较大变化，第1次实物试验数据偏差比较大。经过对V形开口重新进行计算、液体模拟分析和修整，修整后第2次实物试验数据满足工况使用要求。

表3 燃料控制阀流量测试比较

    5 结语

    燃机燃料控制阀经过多次改进和试验，最终确定了采用金属阀座环镶嵌PEEK密封圈的结构，并顺利通过热态试验和各项性能检测，解决了原配套进口阀门使用寿命短的问题。