高温工况下小口径三偏心蝶阀膨胀补偿设计.pdf

第 4 1 卷增刊 1 2 0 1 2年 8月 石油化工设备 V o 1 ． 4 1 S u p p l e me n t 1 P ETRO CHE M I CAL EQUI P MENT Au g ． 2 0 1 2 r ‘ ‘ ‘ ’ ‘ ‘ ’ ‘ ’ i 设计计算i k ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 文 章编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 2 增 刊 1 - 0 0 0 1 0 3 高温工况下小 口径 三偏心蝶 阀膨胀补偿 设计 谢 军 中国石油 渤海装备 兰州石油化工机械厂 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 6 0 摘要 分 析 了高温 工 况下 小 口径 三偏 心蝶 阀产 生热 变形 对 密封 性 能 的影 响 ， 提 出 了阀座 圈 同步 膨 胀补 偿设 计 方案 ， 在 实际应 用 中效果较 好 。 关键 词 三偏心蝶阀；小口径；高温；膨胀补偿 ；设计 中 图分类 号 TE 9 6 7 ；T Q 0 5 5 ． 8 0 3 文献标 志码 B S y nc h r o n i z e d Ex pa ns i o n De s i g n o f S ma l l Di a me t e r Tr i p l e Ec c e nt r i c Bu t t e r f l y Va l v e u n d e r Hi g h Te mp e r a t u r e XI E Ju n La nz ho u Pe t r oc he m i c a l M a c hi n e r y Fa c t or y，CNPC Bo ha i Eq u i pme n t M a nu f a c t u r i ng Co ． Lt d．，La nz ho u 7 3 00 6 0，Chi na Ab s t r a c t By a n a l y z i n g t h e f a c t t h a t s ma l l d i a me t e r o f t r i p l e e c c e n t r i c b u t t e r f l y v a l v e e f f e c t e d b y ho t de f o r m a t i o n o n s e al pe r f o r m a nc e i n h i g h t e m p e r a t u r e wo r ki n g c o nd i t i o n，t he va l v e s e a t s y n c hr on ou s he a t e xp a ns i o n c ompe ns a t i o n d e s i gn wa s p ut f o r wa r d ． The va l ve ha v i n g a d o pt e d s uc h s t r uc t ur e o bt a i ne d go o d s e a l i n g p e r f or ma nc e i n pr a c t i c a l a pp l i c a t i o n． Ke y wo r d s t r i p l e e c c e n t r i c b u t t e r f l y v a l v e ；s ma l l d i a me t e r ；h i g h t e mp e r a t u r e ；s y n c h r o n i z e d e x p a ns i o n；d e s i gn 在 炼油 化工 行业 装 置 管 线 的一 些关 键 位 置 ， 对 阀门 的调节 性能 、 快 速 关 闭 时 间 以及 关 闭 时 的 泄漏 等级均有严格要求 。三偏心蝶阀以其调节性好 、 关 闭 时间 短 以及可实 现 零 泄 漏 的 特 点 ， 得 到 广泛 的应 用 。但 是 ， 当三偏 心蝶 阀的工作 温度 超过 4 5 0℃ 时 ， 由于热 变形 以及 阀座 圈 和 阀板 膨 胀 不一 致 的原 因 ， 导致其密封性能降低或者完全失效， 降低 了整个装 置 的工作 效率 甚 至 带来 安 全 隐患 。 因此 ， 解 决 三 偏 心蝶 阀在 高温 工况 下 阀板 和 阀座 圈 的同步膨 胀 问题 成为 三偏 心蝶 阀能 否正 常运行 的关 键 。对 于大 口径 三偏心蝶阀 DN6 0 0 mm ， 可 以通过设计双简体 结 构来 抵销 阀板 和 阀座 圈热态 膨胀 不一 致带来 的影 响l 1 ] 。但对 于小 口径 三偏 心蝶 阀 D N≤ 6 0 0 mm 来说 ， 受 口径 和端对 端尺 寸 的限制 ， 没有足 够 的空 间 设计 双筒 体结 构 ， 因此 有 必 要设 计 新 的结 构来 满 足 需要 。 l 三偏心蝶 阀结构 三偏 心 蝶 阀是 在 双偏 心 结 构 的基 础 上 ， 使 阀板 中心位 置再 增加 一 维 空 问 的偏 转 ， 形 成 三维 偏 心 结 构 的蝶 阀 。它保 留了 双偏 心 蝶 阀 的 优点 ， 同 时又 减 小 了偏心驱动力矩 ， 而且采用锥面作密封面， 使得阀 门不会像双偏心蝶 阀那样出现过关现象。三偏心蝶 阀密封 是一 种楔 形 密 封 ， 是 阀板 密 封 面进 入 阀座 圈 收 稿 日期 2 0 1 2 0 5 2 5 作者 简介 谢军 1 9 7 5 ， 男 ， 湖南 衡阳人 ， 工程师 ， 学士 ， 主要从事 特殊 阀门的设 计与研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 2年第 4 1卷 密封面后 ， 通过适 当的挤压变形使 2个 圆锥面完全 契合 实 现 密封 性 能 ， 其 结 构见 图 1 。图 中 h为轴 向 偏心 ， e 为径 向偏心 ， mm； a为 角 向偏 心 约 1 0 。 Ⅲ 。 二 | 、 、 | 1 ． 体2 ． 座 圈3 ． 阀 板4． 轴 图 1 三偏心蝶阀结构示图 2 高温工况下三偏 心蝶 阀变形分析 当三偏心蝶 阀在高温工况下工作 时， 阀板完全 包容 在高 温介质 中 ， 为简化 模型 ， 只考虑 阀板 和 阀座 圈在 热态 工况 时的径 向膨胀 ， 即线 膨胀 Ad da o t 1 式 中 ， A d为从 t 升温 到 t 。 后 的直径膨 胀量 ， d为 温 度 t 时 的 直 径 ，mm； t 。为 阀 门在 正 常 运 转 时 内部 流通 的介 质 温 度， t 为 阀 门未 运转 时 的大 气 温 度 ， ℃； n为 材 料 的 线 膨 胀 系 数 ， 不 锈 钢 在 2 O ～ 6 0 0℃ 内的线膨 胀 系数 约 为 1 ． 7 9 1 0 ／ ℃l_ 4 ] 。 假 设设 计 1台 DN3 0 0 mm 的高 温 三偏 心蝶 阀 ， 温度从 2 O℃升高到工作温度 6 0 0℃。对于阀板密 封面， 其完全包容在介质 中， 升温完全 。为简化分 析 ， 只 分 析 椭 面 密 封 面 长 、短 轴 的 变 化 量 ， D N3 0 0 mm高温三偏心蝶阀长轴直径为 2 8 5 mm， 短 轴直径为 2 7 9 ． 3 mm， 在直径方 向上 阀板长轴 的变 化 值 为 2 8 5 1 ．7 9 1 0 6 0 0 2 0 一 2 ． 9 5 8 9 ram ， 短 轴 的 变 化 值 为 2 7 9 ． 3 1 ． 7 9 1 O 6 0 0 2 0 一 2 ． 8 9 9 7 mm 。 而对于阀座圈密封面 ， 由于阀座圈焊接于简体 上 ， 筒体外壁与环境接触， 即便进行保温处理 ， 其外 壁温度最高只有 3 0 0℃， 阀座圈受筒体 的限制不能 完 全膨 胀 ， 阀座 圈 长轴 膨 胀 变 化值 约 为 2 8 5 1 ． 7 9 1 0 3 0 0 2 0 一 1 ． 4 2 8 4 ram ， 短轴 膨胀 变化 值约 为 2 7 9 ．3 1 ．7 9 1 0 3 0 0 2 0 一 1 ． 3 9 9 9 mm 可 以看 出 ， 升温 后两 密封 面长 、 短 轴直径 差值 分 别 约 为 1 ． 5 3 mm 和 1 ． 5 mm， 由于 三偏 心 硬 密 封蝶 阀密封 形式 是一种 楔 形 密封 ， 当 内密 封 面直 径 大 于 外密 封面直 径时 ， 有 可 能造 成 无 法楔 入 ， 形 成 卡 涩 ， 从而造成密封性能降低 。 3 小 口径 三偏心 蝶 阀热态 同步膨 胀 补偿设 计 ～ 。 ] 为 了使三偏 心蝶 阀在高 温工况 时仍具 有 良好 的 密 封性 能 ， 就需 要解 决 阀 板 与 阀座 圈热 膨 胀 不 同步 的问题 。针对 小 口径 三偏 心 蝶 阀 的结 构 特点 ， 提 出 如下设 计构思 1 阀门的密 封 面开 口面积 应 当 符合 相 关 的设 计要求。 2 密 封圈应 具备 可更换性 ， 密封 面磨 损时 只更 换密 封 圈即可 。为此 ， 将 阀体结 构设 计为对 夹式 ， 增 厚 阀体 ， 将 阀座 圈 的 同步膨 胀 补偿 设 计 放 置到 阀体 中 ， 很好保 证 了阀 门的密封 面开 口面积 。 阀板 为整体 式 结 构 ， 密封 面 堆焊 硬 度稍 高 的 硬 质合金 ， 可以保证密封面不被含有磨蚀性颗粒的介 质损坏 ， 也 不会 被 硬 度 稍 低 的 阀 座 圈 密 封 面 损 坏 。 阀座 圈设计 为可拆 卸 分 离结 构 ， 在 阀座 圈两 侧 设 计 有金属 增强 含石 墨复 合 垫 片 ， 通 过 压 板 压制 在 阀 体 中， 与阀板配合。通过计算合适的预压力 ， 设计适合 的尺寸， 就可以保证阀座圈既不会在槽内随意晃动， 又 可在 高温工况 工作 时 自由膨 胀 。在槽 内设计合 适 的膨胀 间隙值 ， 当 阀门升温后 ， 阀座圈沿 沟槽方 向膨 胀 ， 专门配置在垫片两侧表 面的石墨可起到润滑作 用 ， 减少 摩擦力 。为 了防 止 阀座 圈 在工 作 现 场 由 于 管线振 动等 因素发 生错位 ， 还设计 了定 位槽 ， 来保证 阀座 圈膨胀 时的方 向 。阀座 圈同步膨胀 补偿 设计结 构见 图 2 。 图 2 阀座圈同步膨胀补偿设计结构图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 l 卷增刊 1 2 0 1 2年 8月 石油化工设备 PE TRO CHEMI CAL EQUI PME NT Vo1 ．4 1 Su pp l e me n t 1 Au g．2 01 2 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 2 增刊 1 0 0 0 3 0 5 不 同工 况下电站锅炉下集箱热应力循环载荷计算 王海 波 ，王 方 ，毛富杰 ，王泽 军 ，武云龙 1 ． 天津市特种设备监督检验技术研究院 ，天津 3 0 0 1 9 2 ； 2 ． 天津大学 材料科学与工程学院 ，天津3 0 0 0 7 2 摘 要 电站锅 炉 下集 箱 受热和 支管 分布 不对称 ， 筒体 的温度 场 与 应 力场分 析 十分 复 杂 。运 用 AN S YS软件建立 了锅炉下集箱有限元模 型， 分别对启炉、 运行与停 炉 3种典型工况下的热应力载荷 进行 了模拟计算。结果发现 ， 在 3种工况条件下， 采用有限元方法计算 出的热应力都 比采用经验公 式计 算 的结 果偏 大 。因此 ， 在 频繁 启 、 停 炉的情 况 下 ， 下集 箱 的 实 际寿命 可能 比设 计 寿命 缩 短 。 同 时 ， 支 管的机械 约 束作 用可 对下 集箱 的热 变形 和热 应 力产 生 明显 影 响 。在 锅 炉厚壁 下集 箱 的强度 设计与疲劳寿命计算过程中， 应考虑支管的约束作用。 关键 词 电站锅炉； 集箱； 有限元 ；热应力； 计算 中 图分 类 号 TK 2 2 文 献标 志码 A 为 了防止热 态膨 胀 时 阀杆 对 阀 板 的影 响 ， 将 阀 杆设计为无约束形式 ， 即当阀杆随阀板膨胀时 ， 整个 阀杆方向没有对膨胀产生约束。阀杆一侧通过计算 预留一定的膨胀间隙值 ， 另一侧与执行机构连接 ， 要 求执行机构不能对阀杆沿轴向产生约束。阀体剖视 图见 图 3 。 4应用效果 图 3 阀体剖视 图 硝酸尾气能量 回收管线硝酸尾气透平旁路流通 介 质 温度 一般在 5 0 0 6 0 0℃ ， 正 常工作 时 阀门处 于 关闭状态 ， 对密封等级要求较高， 如果密封不严会影 响整个机组的效率 ， 造成经济损失 。在几套硝酸尾 气能量回收装置上使用了文中设计的小 口径三偏心 蝶阀， 热态工况下蝶 阀密封性能较好 ， 达 到了设计 要求 。 参考文献 [ 1 ] 陆培文． 实用 阀门设计 手册 E M] ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 7 ． E 2 ] 张 玉 峰 ， 谢 军 ．三 偏 心 硬 密 封 蝶 阀 [ P ]．中 国 ZL20 05 2 012 9 83 7． 20 06 一 l 1 ． [ 3 ] 三偏 心蝶 阀使用说 明书 E z ] ． 兰卅 I 渤海装备 兰州石 油 化工机械 厂， 2 0 1 0 ． [ 4 ] 机械设计手册 编写组． 机 械设计 手册 [ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 1 9 8 9 ． [ 5 ] 俞钧．三偏心蝶 阀的结构 优化分析 [ D- I ． 兰卅 l 兰州 理 工 大 学 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 韩军．三偏心蝶 阀 的发 展、 特 点及应用 E J ] ．齐鲁石 油化工 ， 2 0 1 0 ， 3 3 7 3 9 ． [ 7 ] 龚忠华．三偏心蝶 阀的结 构特点及相关 设计分析 I- J ] ． 科学之友 ， 2 0 1 0 ， 1 4 3 7 3 8 ． [ 8 ] 吴健． 三偏心蝶 阀的结构 分析 与动力学研究 [ D] ． 兰 州 兰州理工大学 ， 2 0 0 3 ． 张编 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 0 6 作者简 介王海波 1 9 7 3 ， 山东德州人 ， 高级工程 师， 在读博士生 ， 从 事焊接冶金和失效分析方面的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m