真空先導式真空安全閥設計

2019-12-21 admin 未知

  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(yōu)點。

一、分析選型

  某火力發(fā)電廠的空冷凝汽式汽輪發(fā)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(tǒng)超壓,保證生產(chǎn)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(wěn)定可靠。安全閥的技術數(shù)據(jù)如下:

  根據(jù)以上數(shù)據(jù)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:

真空先導式真空安全閥

二、主安全閥的閥瓣設計

  在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)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(tài)和常規(guī)的正壓狀態(tài)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(yōu)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(tài)。

  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(chǎn)生變形過大,損壞密封圈,亦容易使密封圈脫落。經(jīng)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(xiàn)了FPM密封圈和金屬閥座的雙重密封。如下圖所示。

真空先導式真空安全閥

  2、閥瓣活塞體設計

  當系統(tǒng)為真空負壓狀態(tài)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(tài)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)

真空先導式真空安全閥

  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(xiàn)將兩者的力之和設為F3)。根據(jù)受力分析,要使安全閥在正常工作狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)下的密封性能。

  當系統(tǒng)介質壓力為正壓狀態(tài)時,安全閥閥瓣的受力狀態(tài)就發(fā)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)

真空先導式真空安全閥

  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(tǒng)為正壓狀態(tài)升高時,安全閥就會變得很難密封,不穩(wěn)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(fā)電廠后,經(jīng)當?shù)貏趧颖O(jiān)察部門的檢驗,完全達到各項性能指標,經(jīng)電廠使用后,該先導式安全閥能在規(guī)定的整定壓力準確開啟,在規(guī)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(tài)能保證完全密封。