三偏心金属密封蝶阀在火电厂低压缸零出力供热技术上的应用

安阀流体控制（上海）有限公司 金凤禄 刘智威 王传彪

1 引言

天津华能杨柳青热电有限责任公司，为了提高机组供热期深度调峰能力和供热能力，对电厂7号机组进行低压缸零出力供热技术改造，其关键部件是供热与发电之间的高温水蒸气管路的切换用蝶阀[1]。2016—2017 年供热初期公司三期热网系统出现泄漏，热网现有供热蝶阀关不严，无法将三期热网系统彻底进行隔离，对热电管网运行产生极大影响[2-3]，所以急需开发满足工况要求的零泄漏、可调节、开关定位、快关快开三偏心金属密封蝶阀。

2 三偏心金属密封液动调节蝶阀技术要求、设计

阀门必须按API、ASTM 等相关标准设计、选材、制造及试验。质量管理及保证应遵循ISO9001国际标准。三偏心蝶阀主要技术指标见表1。

表1 三偏心蝶阀主要技术指标

3 阀门设计研制

根据电厂使用工况和技术要求，阀门设计方案如下。

3.1 阀门的设计、制造和检验所遵循的标准

设计及制造标准为API609、ASME B16.34。法兰连接标准为ASME B16.47。检查试验标准为API598。材料选择标准为ASTM，电器防护等级要达到IP67[4]。

3.2 材料选择、压力等级的确定

由于阀门在最大工作温度289.7℃时，最大工作压力1MPa，介质是水蒸汽。按阀门设计标准ASME B16.34 中的压力-温度表，阀门公称压力为CLASS150 压力等级时，阀体材料ASTM A216 WCB、蝶板材料ASTM A351 CF8，在300℃时工作压力为1.02MPa，大于最大工作压力，所以阀门压力等级为CLASS 150。

三偏心蝶阀是扭矩密封，在高温下密封扭矩比较大。压力容器用马氏体不锈钢ASTM A479 431屈服强度620MPa 是奥氏体不锈钢F316 或F304 的4.5 倍，在300℃的高温工况时，屈服强度几乎没有降低，因此阀杆材料选用ASTM A479 431。

阀座用奥氏体不锈钢锻件ASTM A182 F304，密封面表面堆焊耐磨并硬度高（>HRC38）STL.21。密封圈采用双相钢ASTM A240 S31803（HRC30.6），比316 强度大弹性好，密封副之间的硬度差大于50HB，密封副之间不咬合，延长阀门使用寿命。

蝶阀用在低压缸零出力供热技术的发电和供热切换系统中，装置上最高连续使用温度298℃，要求在检修周期内（一个供暖周期）阀杆密封可靠并开关频繁，满足电厂防火要求，所以填料选用柔性石墨。根据工况，紧固件外部的（不与介质接触）选用B7/2H，内部的（与介质接触）选用B8/8，密封垫片选用316+石墨。

3.3 蝶阀结构设计

采用三偏心蝶阀结构设计，这种结构保证蝶板密封只是在关闭位置时才与阀体阀座接触，因此不会产生摩擦或磨损，延长了阀门使用寿命，三偏心金属密封蝶阀如图1所示。关闭期间扭矩产生的密封力，均匀一致地作用在整个圆周周围，确保密封接触的均匀一致性，使得阀门能够实现双向密封，达到零泄漏的要求。阀杆与蝶阀联接如图2所示。

图1 三偏心金属密封蝶阀

图2 阀杆与蝶阀联接

在线维护不需要把阀门从现场拉回工厂进行维护，可以在现场更换阀座、密封圈、填料等易损件。蝶阀采用分体式，阀座和蝶板上的密封圈，均采用可以拆卸更换式的单独部件，可以现场更换式阀座和密封圈，维护方便，真正做到在线维护

阀座和密封圈采用同一个斜度胎加工，用数控车磨一体机一次装夹加工完成，从而保证阀座和密封圈密封面的角度和形状的一致性，其之间的配合吻合度达到98%以上。浮动式阀座和密封圈设计，能够自行调整对中。提高阀座和密封圈的密封面之间的配合吻合度，从而提蝶阀的密封性能。

采用一杆式阀杆设计，从蝶板背面阀杆孔穿过，增强了蝶板强度。阀杆和蝶板联接采用斜面销，阀杆上在相应位置开槽，蝶板上相应位置打孔，该种结构比圆柱销去除阀杆的面积小1/2 以上，增强了阀杆强度，并且不用配打销轴孔，各部件独立加工，提高了工作效率。

由于安装位置有高频小幅振动，所以零部件之间要有防松措施。蝶板与阀杆联接的斜面销的防松，斜面销的角度为3°～5°，具有自锁功能，外面有紧定螺钉锁定并且斜面销和紧定螺钉之间有双面斜齿蝶形垫圈防松。密封圈防松，压圈上的内六角螺钉下面放有双面斜齿蝶形垫圈防松。阀座防松采用双层锁紧螺钉结构设计，并在两层锁紧螺钉间放有双面斜齿蝶形垫圈防松。机械限位装置如图3所示。阀座和密封圈锁紧结构如图4所示。

图3 机械限位装置

图4 阀座和密封圈锁紧结构

用户要求阀门在开关、50%开度位置要有机械限位装置，保证在限位位置不移动。由图3（机械限位装置）可知，在阀杆上装有止动盘，上面在相应位置（开位、关位、及45°位）打有定位孔，在支架上装有止动顶丝，阀门在相应位置将顶丝拧进定位孔中，由锁紧螺母锁住。止动盘通过双键之阀杆相联。

蝶阀在蝶板上下两侧分别装有两个各自独立的定位套，保证蝶板在垂直方向对中，防止因流体压力、温度的影响产生蝶板和阀杆组合件整体移动、密封面咬合等情况发生，保证了阀门在任何工况下的正常工作。

采用柔性石墨唇形组合填料密封阀杆。唇形填料受预紧力时，唇边易胀开，与阀杆和填料函紧紧相贴，密封效果远远大于普通填料。

为了防止因热辐射作用，使液压执行器部位温度过高，影响液压执行器中橡胶类密封件的密封，采用加长支架设计，高度加长到450mm。保证液压执行器部位温度低于80℃。

蝶板采用龟背、网格式加强筋流线形设计。该种结构设计在不减小蝶阀强度的前提条件下，降低了蝶板重量，使三偏心金属密封蝶阀在快开或快关时，蝶板惯性减小。蝶板开关时对阀门的冲击减小，使得阀门在运行平稳、定位准确。该种结构设计使蝶板呈流线型外形，使介质通过阀门时流体产生的扰动小、紊流弱。从而减小了三偏心金属密封蝶阀的流阻，使三偏心金属密封蝶阀通过能力大，即阀门的流量系数大（Cv值大）。

3.4 液压执行器装置的选择

为了更好的控制三偏心金属密封蝶阀开关、快速响应、稳定的压力源，采用具有独立的电动液压泵站的液压执行器。液压执行机构上加装阀门开度机械指示针。用户可以直观地观察到三偏心金属密封蝶阀是开还是关或是走位到哪里，防止误操作。电动液压泵站上设有控制箱、手动泵、蓄能器、储油箱等。

用户要求阀门快开快关（<15s）。为此采用高压液压站供油，油压12～14MPa，以减少用油量，加大进油管和回油管直径，加大供油量，回油管径大于进油管径，减少回油阻力。供油管接口尺寸Φ16×2.5mm，回油管尺寸Φ25×2.5mm。为了满足防火和防护等级要求，液压油采用抗燃油（EH液压油)，具有一定的腐蚀性，所有密封橡胶件采用氟橡胶（FKM)。为了实现故障开功能，当断电时，电磁换向阀8 左位自动接入系统，并启动蓄能器释放高压大流量液压油，快速响应，实现三偏心金属密封蝶阀故障开启的功能。

电动液压泵站配有应急手摇泵系统，在其他功能丧失的情况下可以手动开关三偏心金属密封蝶阀。

电气系统中电气控制采用可编程序控制器PLC模拟量模块、FDPS开关稳压电源、MSC106-43讯号处理器和不间断电源UPS 等部件，确保在无人看管泵站出现故障时蝶阀能够正常工作，保障工作系统安全。可编程控制器PLC 模拟量模块是电气系统的中心部件，该控制器可以使用多种通用编写程序编写，并且可以反复修改和调整，通过输入的控制程序控制蝶阀的动作顺序，可以满足用户的操作要求。设有的多处调节点，可以根据现场实际情况修改开启和关闭设定程序，保证蝶阀能够自动按设定的时间及角度开启和快、慢两阶段关闭。控制程序带有锁定程序，使用过程中只有输入密码，才能进行参数变动，避免了非工作人员的误操作，进一步保证了工作系统的安全[5]。不间断电源UPS 置于电控箱内，停电时自动切换电源。保证停电时阀门也能完成正常的关闭动作，保证系统安全。

4 结语

三偏心金属密封蝶阀设计理念、制造工艺先进，摩擦阻力小，驱动力矩小，操作简便、迅速、灵活，使用寿命长，整机运行安全可靠，开关行程准确，密封效果达到零泄漏，电气系统防护等级达到了IP67 以上。在华能天津杨柳青火电厂低压缸零出力供热试验和一个共热周期中，运行情况良好，控制性能稳定，信号传输准确无误，未发生任何故障问题，完全满足电厂设计和工艺要求。