主蒸汽隔离工况下的压力密封阀选型(图文)

主蒸汽隔离工况下的压力密封阀选型

前言

在大口径（4 英寸及以上）、高压/高温压力密封闸阀、球阀和止回阀领域，从设计和应用的角度来看，多少东西一直保持不变。 虽然金属阀座球阀在许多应用中已经取代了压力密封闸阀和截止阀，但在联合循环电厂和其他类似应用中，电厂设计人员仍然会选择压力密封、平行闸阀来进行主蒸汽隔离（停止） 。在需要蒸汽节流的地方，会指定使用压力密封球阀；在高能量管道系统中需要反向流动保护的地方，会安装压力密封止回阀。

设计优势 ：这些阀门利用系统 “压力 ”来 “密封 ”环境压力。对于标准的 150-600#螺栓连接闸阀/球阀/止回阀的阀盖，其阀体与阀盖的法兰连接处由垫片密封；随着系统压力的增加，泄漏的可能性也会增加。在压力密封设计中，随着系统压力的增加，泄漏的可能性也会降低。除此优点外，由于阀体和阀盖法兰以及连接螺母和螺栓的总重量增加，大多数压力密封设计的重量都低于螺栓连接的阀盖设计。

有哪些变化？

尽管许多设计考虑因素保持不变，但有几项进步推动了压力密封阀的变化。

1、 压力密封垫片可有效地将系统压力与大气隔离 。虽然这种压力密封垫片最初是由软钢制成并镀银以达到最佳密封效果，但从上世纪 90年代初开始，这种密封垫片已发展到采用石墨垫片的设计，并在前缘加盖以防止挤出。这种改进提供了更宽松的密封。

2、发电厂的设计者们不断挑战压力/温度极限，试图从各自的设计平台中获得每兆瓦的发电量。材料制造商的任务就是 利用能够 “承受高温 ”的特殊合金 来实现这一目标。蠕变强度增强铁素体 (CSEF) 材料在20世纪90年代联合循环热潮中越来越受欢迎。在化学成分、最佳预热、中间温度和PWHT期间的最高浸泡温度方面，人们对91型材料（锻造、铸造和管材形式）的冶金和可焊性有了更多了解。许多公用事业公司制定了独特的材料规格，并对这种材料的焊接施加了限制。美国机械工程师学会（ASME）成立了一个工作组来研究这些问题，并最终修改了 SA182-F91 材料规范。91型材料的焊接和应力消除仍然是发电厂建设中的一个重要考虑因素。

3、 高压/高温应用中使用的许多阀门都在阀座表面焊接了钴基高温合金材料 (CoCr-A)，以延长阀门的使用寿命和密封完整性 。本世纪初，发现了一种故障模式，即硬面材料会从基体金属上剥落。据报告，在某些情况下，整个部分会从基体金属上脱落。阀门制造商和电力研究所 (EPRI) 等组织启动了研究，以确定根本原因和防止再次发生的措施。EPRI已发布报告，指出了这一现象并提出了解决方案。

4、本世纪初以前，许多压力密封阀制造商使用铸件制造阀体和阀盖。多年来，锻件相对于铸件的优势，尤其是在高压/高温应用中的优势，加上锻造能力和技术的改进，促使制造商开发锻造压力密封阀，以取代之前的铸件。

5、当然，制造技术也在不断改进压力密封阀的加工和焊接。数控机床的工具和控制方面的进步使运行时间更快，公差要求更严格。先进波形焊接设备的开发提高了填充金属沉积率和整体焊接质量。

这些进步共同为制造商提供了工具，使他们能够更快地制造出质量更好的压力密封阀。无论是在 发电厂、炼油厂、化工厂、航空母舰还是纸浆和造纸厂 ，安装在高压/高温应用场合的压力密封阀都在继续为其所有者提供优质服务。

由于设计人员不断提高锅炉、热力设备和管道系统的压力/温度范围， 压力密封阀依靠相当简单的设计原理，已证明其有能力处理要求越来越高的化石燃料和联合循环蒸汽隔离应用。

压力密封阀的尺寸范围通常为2英寸～24英寸，压力等级为 ASME B16.34 #600～#4500 ，但有些制造商也能满足特殊应用中对更大直径和更高额定值的需求。

随着材料技术的进步，当今的压力密封阀有 碳钢（A105锻造和Gr. WCB铸造）、合金（F22锻造和 Gr.WC9铸造；F11锻造和Gr.WC6铸造）、奥氏体不锈钢（F316锻造和Gr.CF8M铸造 ；对于1000°F以上的温度，F316H锻造和碳含量大于0.04%的合适奥氏体铸造牌号）以及其他一些合金/无锈/铸造牌号。CF8M 铸造；对于华氏1000度以上的温度，F316H锻造和碳含量大于0.04%的合适奥氏体铸造牌号），以及许多其他合金/无锈/特殊材料。大多数制造商还提供F91锻造和/或C12A 铸造合金（9Cr-1MoV）材料，用于上一轮联合循环电厂建设中的高温（如主蒸汽）管道系统以及较新的燃煤超临界和超超临界机组。

压力密封的设计理念可追溯到20世纪中期，当时，面对不断增加的压力和温度（主要是在电力应用中），阀门制造商开始设计替代传统螺栓阀帽密封阀体/阀帽接头的方法。除了提供更高水平的压力边界密封完整性外，许多压力密封阀门设计的重量也大大低于同类的螺栓阀盖阀门 (BBV)。

螺栓帽与压力密封的对比

为了更好地理解压力密封的设计理念，让我们对比一下BBV和压力密封之间阀体到阀盖的密封机制。图1描述了典型的BBV。阀体法兰和阀盖法兰通过螺柱和螺母连接，并使用适当设计/材料的垫片。

图1

螺柱/螺母/螺栓按照制造商规定的模式以规定扭矩拧紧，以达到最佳密封效果。但是，随着系统压力的增加，通过阀体/阀网接头泄漏的可能性也会增加。

现在让我们来看看图 2 中详述的压力密封接头。请注意各自阀体/阀网接头配置的不同。大多数压力密封设计都包含 “阀盖提升螺栓”，用于将阀盖拉起并与压力密封垫密封。这反过来又在垫片和阀体内径 (I.D.) 之间形成密封，分段式止推环可保持负载。压力密封设计的优点在于，随着系统压力的增加，阀盖上的负荷也会增加，相应地，压力密封垫片上的负荷也会增加。因此，在压力密封阀门中，随着系统压力的增加，通过阀体/阀盖接头发生泄漏的可能性也会降低。

图2

与BBV相比，这种设计方法在主蒸汽、给水、汽轮机旁路和其他要求阀门能够应对高压和高温应用固有挑战的发电厂系统中具有明显优势。不过，由于压力密封阀依赖系统压力来帮助密封，因此最好应用于最低稳定工作压力超过 500 psi 的系统中。

但多年来，随着工作压力/温度的增加，以及调峰设备的出现，这种有助于密封的瞬态系统压力也对压力密封接头的完整性造成了破坏。

压力密封垫片

密封压力密封阀门的主要部件之一是垫圈本身。早期的压力密封垫片是用铁或软钢制造的。这些垫片后来被镀银，以利用较软的电镀材料提供更紧密密封的能力。由于在阀门水压试验过程中施加了压力，阀盖和垫片之间产生了“套”（或垫片轮廓变形）。由于阀盖收紧螺栓和压力密封接头具有固有的弹性，当系统压力增大/减小时，阀盖有可能移动并破坏“固定”，从而导致阀体/阀盖接头泄漏。

在系统压力和温度升高后，采用“热拧”阀盖收线螺栓的方法可以有效地解决这一问题。但这需要业主/用户维护人员在工厂启动后进行。如果不坚持这种做法，阀体/阀盖连接处就有可能发生泄漏，这可能会损坏压力密封垫、阀盖和/或阀体的内径，同时蒸汽泄漏也会给设备运行带来更多的问题和效率低下的问题。

图3

因此，阀门设计人员采取了多项措施来解决这一问题。图3显示了活负载阀盖收紧螺栓的组合（从而保持垫片上的恒定负载，最大限度地减少泄漏的可能性），以及用压模成型石墨垫片取代铁/软钢镀银压力密封垫片。图3所示的垫圈设计可以安装在以前使用传统型垫圈的压力密封阀门上。图4显示了实现相同最终结果的另一种设计方法。

石墨垫片的出现进一步巩固了压力密封阀在大多数应用中的可靠性和性能，甚至可用于日常启动/停止操作循环。尽管许多制造商仍然建议使用 “热扭矩”，但如果不这样做，泄漏的可能性就会大大降低。

与许多发电厂阀门一样，压力密封阀门的阀座表面承受着相对较高的阀座载荷。阀座完整性的保持取决于对部件的严格加工公差、提供必要扭矩的方法、齿轮或驱动装置的开启/关闭功能，以及为阀座表面选择/应用适当的材料。钴、镍和铁基硬面合金可用于优化楔块/圆盘和座圈座面的耐磨性。最常用的是 CoCr-A（如 Stellite）材料。使用这些材料时，这些材料的应用有多种工艺，包括保护金属弧、气体金属弧、气体钨弧和等离子（转移）弧。许多压力密封截止阀都设计有整体硬面阀座，而闸阀和止回阀通常都有焊接在阀体上的硬面阀座环。

阀门术语

如果您与阀门打交道的时间较长，您可能会注意到阀门制造商在业务术语和用语方面并没有太多创造性。例如，“螺栓连接阀盖阀门”。阀体用螺栓固定在阀盖上，以保持系统的完整性。对于“压力密封阀”，系统压力有助于密封机制。对于“止动/止回阀”，当阀杆处于关闭位置时，流量被机械地阻止，但当处于打开位置时，阀芯可自由地起作用，以检查流量的逆转。这一原则同样适用于其他设计术语以及阀门类型及其组件。

压力密封闸阀基本上有两种类型：

图4

1、柔性楔形闸阀（图 4）包含一个柔性的楔形关闭元件，依靠手轮或电机操作产生的扭矩，将其推入阀座，从而实现密封。挠性楔形闸阀之所以被称为 “扭矩座式”，是因为它依靠外加扭矩提供密封力，以及系统压力的一些辅助作用。这种灵活性来自于楔形的设计，即通过锯切或成型/制造过程中固有的其他工艺，围绕中心毂同心地去除材料。灵活性的提高可实现。

a） 从座环中插入和拔出楔块所需的扭矩更小

b） 具有更大的弹性，以应对热膨胀，并根据上游压力找到最佳的下游座圈表面

c） 在管道负载和/或地震或各种潜在的工厂运行事件引起的管道系统移动过程中，楔块脱离阀座的可能性更小。

图5

2. 平行闸阀（图5）的特点是两个圆盘固定在一个保持架组件中，其阀座表面与阀座环平行。当阀门循环时，这些阀座相互滑动。两个圆盘通过弹簧分开。平行闸阀可以说是定位阀，因为当阀盘和阀座环的配合面处于最接近的位置时，就能达到最佳的密封效果（也就是说，一旦配合面接合好，再怎么转动手轮也不会达到更好的密封效果）。

还有其他设计，包括“两件式”和“双盘式”楔形类型，这些设计已被证明是有效的。

使用哪种阀门？

为什么要选择其中一种？平行滑阀几乎完全依靠上游压力来影响下游阀座的密封。因此，在低压条件下，阀座可能会发生泄漏。此外，阀座表面的滑动作用更容易造成磨损，如果阀座表面之间夹有微粒，则更容易造成损坏。由于阀座的宽度和方向，平行滑阀比其挠性楔形阀更难维护。但在将所有平行滑阀更换为挠性楔闸阀之前，请继续阅读。

由于柔性楔式闸阀需要扭矩来启动密封面（然后 “松开楔子”），因此需要能够提供相对较大扭矩（与平行滑阀相比）的执行机构，通常成本较高。此外还有热粘结问题。

图6

在工作温度接近 800°F或更高的情况下，楔式闸阀有可能在各种模式下发生粘结（例如，暴露在高工作温度下，关闭，然后允许冷却；或者像启动时常见的那样，从环境温度开始，暴露在快速的热瞬态下，然后打开）。这种现象取决于各种设计和运行条件，但可以通过采用运行程序来缓解，该程序可验证上游和下游孔之间的热平衡（delta T为200°F或更低）。连接阀门上游和下游孔的旁路（图 6）可以促进这种热平衡。必须注意在阀门本身而不是阀门以外的连接管道上验证上游与下游的热平衡。新一代联合循环电厂的启动程序相对较快（与燃煤电厂相比），特别容易受到热绑定的影响。不过，防止热绑定的最有效方法是选择平行滑阀设计。

在平行闸阀设计中（图 5），两个圆盘通过弹簧在保持架中分开。该弹簧允许两个圆盘有足够的行程来克服热膨胀的影响。

热绑定并不是压力密封阀门的通病。但是，由于压力密封件经常用于高温服务，因此在解决这个问题时要特别小心。

其他操作问题

此外，压力密封阀的用户还必须解决两个相关的操作问题：中心腔过压 (CCOP) 和压力锁定。与热粘结一样，这些现象也会导致阀门无法冲程。请注意，热粘结、CCOP 和压力锁定是三个不同的问题，必须在项目的设计/采购阶段仔细评估和解决其可能性。ASME B16.34第2.3.3段规定，业主有责任确定 CCOP 和压力锁定的可能性，并提供防止CCOP和压力锁定的方法。

双座阀（楔式闸门、平行闸阀、球阀等）的关闭元件可能会因中心腔内压力增大（CCOP）或因管路压力降低而导致关闭阀的上游、下游或两个阀座的压差增大（压力锁定）而被锁定。在 CCOP 的情况下（图 8），当引入热量（例如在启动过程中）时，在环境温度下被截留在中心腔中的流体会膨胀。这将导致流体膨胀，并且根据流体类型和温度的不同，可能会达到一个压力，在此压力下，没有足够的扭矩（手动或执行）来克服压力并打开阀门。

压力锁定（图 7）发生在双座阀中，即管线压力在阀座的上游、下游或两侧下降（作为工厂运行或事故的函数），从而产生足够的压差，使阀门无法打开。

与热绑定一样，有几种方法可以防止CCOP和压力锁定。其中包括以下方法：

图7

图8

图9

图10

图11

1、泄压孔穿过阀体或楔块/圆盘半部的 “压力侧 ”钻入阀门的中心腔，从而释放该压力侧的过压。

压力侧的过压。这实际上使阀门具有单向密封能力（图 9）。

2、从中心腔钻孔并攻丝至阀门 “压力侧 ”孔的压力均衡管（图 10）。当包括旁通阀时，可保持双向密封。请记住，当旁通阀关闭时，中心腔的压力不会被释放。

3、泄压阀与钻孔并攻入阀门中心孔的管道相连。

泄压阀与钻入阀门中心腔的管道相连。这种方法可保持阀门的双向密封能力（图 11）。

4、排水阀与钻入阀门中心空腔的管道相连（图 12）。请记住，当排水阀关闭时，中心腔的压力并未释放。

图12

5、使用一个或多个旁通阀和连接阀门中心腔与旁通管道的平衡管道进行旁通。根据旁通阀的数量和配置，可保持双向密封（图6）。

6、专有旁通阀，可随系统压力改变密封方向。可保持双向密封（图13）。

图13

压力密封截止阀

压力密封截止阀适用于需要一定程度流量控制（或节流）的应用场合（例如，在设备启动或关闭模式下）。它们非常适合发电厂的隔离应用（如主蒸汽隔离、给水加热器隔离、锅炉/节能器隔离等）。压力密封球阀的材料类型、驱动方式（手动、齿轮驱动、电机驱动、气动、电液驱动等）、阀芯组合和材料以及 ASME 压力等级与闸阀相同。根据所需流量(Cv) 的不同，可提供阀杆垂直型（图14）或倾斜型（Y 型）（图15）。压力密封球阀的圆盘可以机械方式固定在阀杆上，因此在开启位置时，可以自由流动。

不过，也可以提供阀杆在圆盘袋中自由浮动的产品（见插图，图15）。在这种方位（停止/止回）下，当阀门处于打开位置时，阀瓣会在流量发生逆转时关闭，因此除了基本的停止（或隔离）功能外，还具有止回阀功能。

图15

可以对截止阀的圆盘轮廓进行修改，以便更精细地控制工作条件下的流量 （图 16）。这在节流应用中特别有用，因为在这种应用中，系统需要依靠流量控制来优化性能。可在阀门顶部安装刻度来测量阀门行程，并将其与流量曲线相关联，以精确控制通过阀门的实际流量。如果需要更严格的控制以及需要在开度小于20%时保持稳定的节流，则推荐使用控制阀，其中包含针对应用设计的阀门操作系统。通常会在无压侧加一个平衡管，以帮助平衡阀门增加行程和控制湍流。

图16

压力密封截止阀不受CCOP、压力锁定或热绑定的影响；但是，必须评估高温（如热膨胀）对部件（阀杆、阀座等）的影响，尤其是当阀门需要驱动时。

压力密封止回阀

压力密封止回阀的主要作用是防止系统流量逆转，从而保护管道和未设计用于处理这种情况的部件（泵、仪器等）。止回阀的材料、压力等级和方向（垂直和倾斜）与压力密封截止阀相同。单向阀的选择通常基于多个变量，包括系统流量特性（如Cv、流速）、介质（如颗粒类型和大小/浓度）以及设备运行特性。

压力密封止回阀可按以下配置提供：

1、 旋启式止回阀 （图17）。压力密封旋启式止回阀通常与闸式隔离阀结合使用，以提供反向流动保护。其相对较高的Cv值（与活塞止回阀相比）、简单的操作和相对容易的维护使其深受管道系统设计人员的欢迎。

图17

2、 斜盘止回阀 （图18）。由于铰链销与圆盘中心线之间的力矩较短（与摆动止回阀相比），倾斜圆盘止回阀可以对流量反向做出更快的反应，从而为上游设备和介质 “锤击”隐患提供更大的安全系数。购买前请注意这两种常见止回阀在成本和Cv方面的差异。

图18

3、 活塞止回阀 （图19）。压力密封活塞止回阀经常与截止型隔离阀一起使用，以提供反向流动保护。这些阀门有时会配备弹簧，以帮助关闭和/或平衡管道，从而提高整体性能。

图19

总结

尽管在概念上与前辈相似，但如今的压力密封阀门已经进化，以应对更广泛的应用场景，同时提供更高层次的性能。阀门制造商持续优化影响压力密封阀门性能的各种设计要素，旨在为终端用户创造更大价值，从而确保这些阀门在未来发电厂运营中将继续扮演关键角色。

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