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        真空先導式安全閥的主閥閥瓣設計

        發布于:2016-01-29 09:33:20

          

          本文主要討論了主安全閥的閥瓣設計思路,從選型分析到主安全閥閥瓣的設計、閥瓣活塞體的設計及閥瓣活塞體“O”形密封圈設計的優點。

          一、分析選型

          某火力發電廠的空冷凝汽式汽輪發電機組的排汽管道上需要設置安全閥,以保護空冷凝汽器,避免系統超壓,保證生產正常運行。要求安全閥具有較高的開啟和回座靈敏度,能滿足真空負壓的密封性能,精度高,回座迅速,不泄露,工作穩定可靠。安全閥的技術數據如下:

          根據以上數據及要求計算分析后,確定采用軟密封的先導式安全閥,型號為YFA46X-16C DN300,流道直徑220mm。其主安全閥材料:殼體材料采用WCB,閥座采用1Cr18Ni9Ti,閥瓣采用1Cr18Ni9Ti內嵌氟橡膠,其余內件及彈簧采用1Cr18Ni9Ti。導閥材料:閥瓣采用1Cr18Ni9Ti內嵌氟橡膠,其余用1Cr18Ni9Ti。該先導式安全閥結構及安裝外形如下圖:

          先導式安全閥結構

          二、主安全閥的閥瓣設計

          在系統正常工作狀態下,安全閥A、B腔室同時為大小相等的壓力。安全閥出口為大氣壓,即對空排放,故腔室C受到受到的是一個大氣壓的正壓。由于安全閥要求滿足負壓工況保證密封,此時腔室A、B的受力狀態和常規的正壓狀態不同,則對閥瓣設計就要采用不同的結構。

          1.閥瓣密封圈

          由于氟橡膠(FPM)耐磨性能優越,密封可靠,用做閥門密封面材料時不需要大的密封比壓就容易使其變形而密封,能長期使用在-50℃~150℃,是常用的密封元件。因此,閥瓣密封圈采用FPM,適合該工況需要真空密封的狀態。

          然而,由于FPM易變形,且不能承受過大的密封比壓,因此對其固定和變形量的控制非常重要。否則就很容易產生變形過大,損壞密封圈,亦容易使密封圈脫落。經過反復研究和試驗,在閥瓣上設計燕尾槽,采用定位板固定FPM密封圈,并在密封圈外圍加工閥瓣二次密封面,控制FPM密封圈變形在一定的范圍內。這樣就實現了FPM密封圈和金屬閥座的雙重密封。如下圖所示。

          FPM密封圈和金屬閥座的雙重密封

          2.閥瓣活塞體設計

          當系統為真空負壓狀態時,腔室A、B受力為真空負壓,因此,要想保證安全閥在負壓狀態保持良好的密封,做到零泄漏,則必須使下圖中的閥瓣密封面中徑Dm大于閥瓣活塞筒體直徑Db,即:Dm>Db (1)

          

          從上圖中可以看出,在閥瓣密封圈和閥座密封面接觸的面上受到來自腔室A介質垂直向下的力F1,來自腔室B垂直向上的力F2,以及閥瓣自身的重量和彈簧附加的力(現將兩者的力之和設為F3)。根據受力分析,要使安全閥在正常工作狀態保持密封,則應使:

          F1+F3>F2 (2)

          F1=πDm2P/4 (3)

          F2=πDb2P/4 (4)

          式中:P表示系統介質壓力,單位MPa;Dm表示閥瓣密封面中徑,單位mm;Db表示閥瓣活塞筒體直徑,單位mm。

          由于彈簧作用在閥瓣上的力只是保持安全閥初始密封,安全閥正常工作時,彈簧沒有相對的變形,其施加在閥瓣上的力可認為是不變的。因此在系統正常工作壓力時,作用在閥瓣上的力F3可看作定值,這樣作用在閥瓣上的力F1和F2就是使閥瓣密封的關鍵力。

          由(1)、(2)、(3)、(4)式可得:

          πDm2P/4>πDb2P/4 (5)

          即:F1>F2

          由此可得出,無論系統介質的壓力真空負壓怎么變化,始終會保持關系式(2),而且隨著系統介質的負壓力P升高,作用在閥瓣上的壓力差就越大,也就是密封力越大。這樣就有效保證了安全閥在真空負壓狀態下的密封性能。

          當系統介質壓力為正壓狀態時,安全閥閥瓣的受力狀態就發生了改變。

          如下圖所示,此時要使安全閥保證密封,必須保證:F3+F2'>F1' (6)

          由(1)、(3)、(4)式,πDm2P'/4>πDb2P'/4 即:

          F1'>F2'

          因此要保證關系式(6),則必須控制閥瓣密封面中徑Dm與閥瓣活塞筒體直徑Db的比例關系,否則,當系統為正壓狀態升高時,安全閥就會變得很難密封,不穩定,容易開啟。

          3.閥瓣活塞體“O”形密封圈設計

          如上上圖所示,在閥瓣活塞體上設置了兩個氟橡膠(PDm)的“O”形密封圈,有效保證腔室B的氣密性。

          三、結論

          由于該先導式安全閥的使用工況特殊,除了主安全閥閥瓣的設計特殊外,對導閥的設計以及在管路上止回閥的設置也非常關鍵。由于篇幅有限,在此就一一闡述了。

          該先導式安全閥到火力發電廠后,經當地勞動監察部門的檢驗,完全達到各項性能指標,經電廠使用后,該先導式安全閥能在規定的整定壓力準確開啟,在規定的回座壓力下能及時回座,并滿足啟閉壓差要求,同時,在真空負壓狀態能保證完全密封。

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