高压超高温三通换向阀的研制
来源:哲成阀门 作者:李保升,吴尖斌,王靖旺,邵程达 发布时间:2014-4-29 阅读:次
  

摘  要:介绍了一种高压超高温三通换向阀的设计、工艺和有限元分析,介绍八大设计创新点和七大工艺难题。 
关键词:超高温;三通换向阀;“三高”介质;三层两体式阀芯;保护层;  隔热层; 四层三体式阀杆;温差梯度;应变梯度;等效应力;减振储能弹簧;阻尼油缸。 

1.  概述 
高压超高温三通换向阀是空气动力装置(风洞)上用的特殊阀门阀门的最高工作温度900℃,最高工作压力12MPa,公称通径DN200,换向时间≤2秒。国、内外首创(图1)。技术要求如下: 
(1)  阀芯换向平稳,对阀座无明显撞击现象,换向时间≤2秒; 
(2)  高温气流流经换向阀的热量损失要小,进出口气流温差≤1℃; 
(3)  阀门壳体的外表温度≤110℃; 
(4)  阀门的使用寿命,在高温下开关5000次以上; 
(5)  在最高工作压力12MPa和最低工作压力0.3MPa时,阀门均能密封; 
(6)  对阀体、阀芯、阀座、阀杆等主要零件,用有限元进行应力和温度的分析计算;

图1 高压超高温三通换向阀总装
1-阀底座  2-下阀座  3-阀芯总成  4-阀体  5-隔热衬里  6-上阀座  7-隔热套管  8-阀杆总成  9-阀盖 
10-支架  11-气动传动总成  12-手动传动总成 

  本阀门经过一年半的设计和试制,并请清华大学和天津大学应用有限元对主要零件进行分析计算。产品于2004年底进行验收。本阀门的通径虽然只有200mm,但因结构复杂,阀门本体重达7.3吨,连同安装底座,总重为15吨。该产品于2006年列入浙江省重大机电装备专项。2008年5月进行省级新产品鉴定,鉴定结论是:“达到国际领先水平”。产品于2008年还被列入国家火炬计划项目,2009年获浙江省科学技术奖二等奖,这是浙江省阀门行业的最高奖项。  

2. 产品的八大创新点  
  该产品的使用工况是同时具备三高(高温、高压、高速),还要求隔热、节能和快速平稳换向,设计难度极大。公司广大设计人员、项目课题组人员和清华大学、天津大学、军事交通学院的三位教授、博士共同研究,群策群力,攻克了八大设计难关(创新点),解决了七大工艺难题,最终圆满完成了研制任务。  
产品的八大创新点:  
(1)阀门总体结构;  
(2)三层两体式阀芯结构;  
(3)四层三体式阀杆结构;  
(4)阀体的隔热保温结构;  
(5)阀芯的支承结构;  
(6)有限元分析、计算;  
(7)阀门的传动机构;  
(8)阀门的冷却机构。  

2.1 阀门总体结构  
  本阀门的流道是一进二出(见图1)右侧进口,左侧为工作气流出口,下端阀底座为排空出口。阀门主体设计成直通式结构,阀底座与阀体的连接采用压力自紧密封结构。上阀座6镶焊在阀体4上,下阀座2镶焊在阀底座1上。阀芯总成3随阀杆总成8同步上、下运动,分别对上、下阀座进行关闭。阀体流道采用硅酸铝纤维(耐温1450℃)隔热衬里,衬里厚度100mm,经实际使用证明,介质温度为900℃时,阀体表面温度只有104℃,所以阀体材料选用奥氏体铸钢CF8。阀芯、阀座、阀杆完全暴露在介质中,所以阀座、阀芯选用耐高温的高温合金钢GH 3128,能在900℃时连续工作100小时以上。阀杆设计成四层结构,最外面保护套一端浮动,不受拉、压应力,保护套的外表面全部堆焊STL12钴基硬质合金,既耐高温又耐冲刷。阀座、阀芯、阀杆均设计了空气冷却机构,目的是为了降低密封面的工作温度,提高密封面的硬度和阀门的使用寿命。  

2.2 三层两体式阀芯结构  
  三层两体式阀芯结构(见图2)。阀芯“浸泡”在三高(高温、高压、高速)气流中,工作环境最恶劣,阀门的使用寿命,关键在于阀芯的寿命。阀芯设计成上、下两体,是为了在装配时将球形的阀杆头部包在里面。阀芯的最外层是镍基硬质合金防护板,见图中序号1、4、8。第二层为硅酸铝纤维隔热层,见图中2、10、12。阀芯主体材料是高温合金钢GH3128,能在900℃时连续工作100小时。阀芯上、下球形密封面和内部球形密封面均堆焊钴基硬质合金Co119(见图7、14、11、13),在750℃时仍保持HRC32~35的硬度。在阀芯内部上、下各有一个凹球面(见图序号11、13),分别和阀杆头部的两个凸球面接触,以提高其浮动性。通过五年多的实践证明,该结构先进、可靠。 

图2 三层两体式阀芯结构

1-下护板   2-下隔热层 3-阀芯下部     4-外圆防护套 5-阀杆头部   6-阀芯上部 7-上阀芯密封球面      8-上护板 9-冷却气管  10-上隔热层 11-上阀芯内球面 12-圆周隔热层 13-下阀芯内球面  14-下阀芯密封球面

2.3 四层三体式阀杆结构  
  阀杆既承受“三高”介质的冲刷,又要承受传动系统的拉力和压力,是本阀门关键的受力件。为  
了提高阀杆的强度,必须降低阀杆主体的工作温度。阀杆的结构设计弯路最多,第一次采用内冷式,通过有限元分析,阀杆内外温差大,温度梯度变化大,热应力太大,行不通。第二次采用阀杆夹层和内孔同时冷却,可以解决内应力问题,但阀杆消耗能量196kw,降低试验气流温度,用户仍不同意。最后,本阀杆设计成四层三体式结构(见图3),所谓三体是指上阀杆11、下阀杆4和阀杆头部1。四层,是指下阀杆的内外由四层组成,最外层是保护套2,一端与阀杆头部焊接,另一端浮动,不会产生热变形应力,保护套的外表面堆焊钴基硬质合金。第二层为隔热层3,可减少保护套对阀杆主体的热传导和热辐射。第三层为阀杆主体4,选用4Cr14Ni14W2Mo高强耐热钢。第四层为冷却管5,冷却空气从进气口12进入管内,流经阀杆头部,再从阀杆主体的内孔,即冷却管的外壁,从排气口13排出。该结构通过有限元分析,阀杆主体的外壁温度538℃,等效应力287MPa,内壁温度375℃,等效应力166MPa,温差梯度和应变梯度都在材料的许用范围内。 


图3 四层三体式阀杆结构

 1-阀杆头部 2-阀杆保护套 3-阀杆隔热层 4-阀杆主体 5-冷却管 6-下阀杆顶盖 7-下螺母 8-锁紧螺母 9-对开圆环
10-上螺母 11-上阀杆 12-进气口 13-出气口 14-上接触球面 15-阀芯上部  16-下接触球面 17-阀芯下部

2.4 阀体的隔热保温结构  
  阀体的隔热保温结构(见图4),图中2为介质流道,流道壁固定耐高温隔热套管,套管由三层组成,厚度分别为8mm、2 mm、1mm(见图中序号2、3、4),每层都钻有通气孔,(见图中8、9、10)通气孔的的位置相互错开,以防止高速气流将隔热纤维“抽走”。隔热套管外面先包裹三层硅酸铝纤维布,每层厚3mm,再包裹三层硅酸铝纤维毡,每层厚20mm,外面用硅酸铝纤维棉塞紧。这样设计使隔热套管内外压力平衡,不会变形,硅酸铝纤维耐高温1450℃,不易烧损,隔热效果好,经测定,阀体表面温度只有104℃,满足用户要求。 

  4阀体的隔热保温结构

  1-阀体流道 2-第一层套管 3-第二层套管  4-第三层套管 5-硅酸铝钎维布    6-硅酸铝纤维毡 7-硅酸铝纤维棉 8-第一层套管通气孔 9-第二层套管道气孔 10-第三层套管通气孔 11-第一、二层套管通气孔 12-第二、三层套管隔热垫

2.5 阀芯的支承结构  
  本阀门由于进出口管道布局问题,用户要求阀门卧式安装。阀芯组合体重达300公斤,靠上、下阀座中间的支承架承担。阀芯的密封面高低位置由阀芯导向轴中心的高低位置来决定(见图5)当阀门由常温升到高温时,例如升高800℃,阀芯导向轴的直径会增大:16×10-6×80×800=1.02,托架下部会升高:16×10-6×75×800=0.96,阀芯导向轴的中心会升高:1.02÷2+0.96=1.47(mm),就是说常温时阀芯的密封面中心在A1点,高温时阀芯的密封面中心在A2点,中心上移了1.47mm。阀门设计时如果忽略了这一计算,则阀门在高温时就很难密封。

图5阀芯支承装置

1-下阀座 2-阀座支架 3-阀芯导向轴 4-冷却槽 5-阀座密封面


2.6 用有限元对主件进行应力场温度场的分析计算  
  用有限元对主要零件(阀体、阀座、阀芯、阀杆)进行应力场和温度场的分析计算,计算书长达58  
页。计算前要确定边界条件,计算后要修改设计,然后再计算。该项计算聘请清华大学刘凤梧博士后,天津大学王静博士和天津军事交通学院力学教研室主任王兴科教授共同完成。以计算书内阀体的有限元分析为例(见后面附图),图20为阀体内无隔热层加热11分钟时的温度分布图;图21为阀体无隔热层加热11分钟时的等效应力分布图;图22为阀体内有隔热层加热11分钟时的温度分布图;图23为阀体内有隔热层加热11分钟的等效应力分布图。从分布图可知道,阀体内衬隔热保温材料是非常必要的。 

 阀体无隔热层加热11分钟时的温度分布图

由图可见,内壁温度为491℃,外壁温度为285℃
 
阀体无隔热层加热11分钟时的等效应力分布图

由图可见,最大应力为515 MPa,最小应力为45。8MPa

阀体内有隔热层加热11分钟时的温度分布图

由图可见,隔热层内壁温度741℃,阀体外壁温度100℃

阀体内有隔热层加热11分钟时的等效应力分布图

由图可见,最大等效应力为47.8MPa,最小等效应力为3.06MPa,

2.7 阀门的传动系统  
  阀门的气动传动系统,要求使阀门2秒钟内换向,且不允许阀芯对阀座产生撞击(见图6)。气缸内活塞14的运动,通过阀杆9带动阀芯运动,实现阀门启闭换向。活塞运动的快慢取决于气缸进气量的多少和气缸内径的大小。气缸内径的设计是由阀芯启闭合成力的大小决定,(有关传动机构力的计算书长达12页,此处不作详细介绍)。该传动机构的关键技术在于气缸的上、下座分别安装了54根减振储能弹簧,弹簧的长度分长、中、短三组,分级减振。弹簧的作用不光是减振,另外还有两个功能:A.当下阀座开启时,介质通过阀芯对下阀座产生的作用力为36.7t,方向向下,下气缸向上推力为30.4t,方向向上,下气缸座的54根弹簧产生的抗力为24.1t,方向向上,填料函和阀杆的摩擦力2.4t,方向向下,四个力的合力为30.4+24.1-36.7-2.4=15.4(t),方向向上,足以克服传动件重力,所以能开启下阀座。如果没有弹簧抗力24.1t,仅靠气缸推力是不能开启的。B.当下阀座关闭时,下阀座受到上气缸向下的推力31.3t,受到介质通过阀芯对下阀座的压力36.7t,方向向下,弹簧的抗力24.1t,方向向上,填料函的摩擦力2.4t,方向向上,四个力的合力为31.3+36.7-24.1-2.4=41.5(t),计算出密封面的密封比压为141.96MPa,小于硬质合金材料的许用比压196 MPa。如果没有弹簧,则计算出密封面的密封比压为226 MPa,超过了密封面材料的许用比压,行不通。由上述分析可见,气缸内安装减振储能弹簧是非常必要的。气缸内安装弹簧有三项功能:A.减振阻尼作用;B.帮助气缸开启阀门;C.保护 阀门密封面,提高阀门使用寿命。该设计受到清华大学刘凤梧博士(参加过神五飞船着陆减振的计算)的高度称赞,他说:“气缸内减振储能弹簧的设计非常巧妙,解决了开启时阀门打不开和关闭时密封比压过大的矛盾”。该系统已获得国家发明专利。


9-上阀杆 10-缓闭油缸 11-缓闭油缸活塞 12-节流阀 13-下气缸座 14-活塞 15-气缸  16-短弹簧
17-长弹簧 18-上气缸座 19-手动机构

2.8 阀门的冷却系统  
  本阀门由于介质温度太高,对裸露介质中的零件,如阀座、阀芯、阀杆应进行冷却,以便降低工作温度,提高强度。冷却介质均为空气。本阀门的冷却系统包括体内冷却和阀芯外部冷却两部分,体内冷却又包括三部分(见图1和图5):A.阀杆、阀杆头部和阀芯内部的冷却;B.上阀座靠近密封面处冷却;C.下阀座靠近密封面处冷却。阀芯外部冷却是在阀门停止工作的间隙,分别从阀芯外围的冷却管内进入空气,对阀芯外表面进行冷却。  
3.    产品攻克的七大工艺难题  
七大工艺难题是:  
(1) 内件的选材和加工;  
(2) 阀芯、阀座密封面的堆焊;  
(3) 阀芯内外密封面的加工;  
(4) 阀杆外套的加工;  
(5) 上、下阀芯的组装和焊接;  
(6) 阀体衬里工艺;  
(7) 阀门冷却系统的加工和焊接。  

3.1 内件的选材和加工
  
  本阀门的内件是指阀芯、阀座和阀杆,这些零件选用高温合金钢GH 3128锻件,国内阀门行业首次采用这种材料,该材料耐高温性能特别好,能在900℃时连续工作100小时,但该材料的冾炼和锻造只有四川长城特钢等少数钢厂才能胜任。材料机加工也较困难,韧性很大,就连在r射线探伤时,由于其密度大,透照性差,透照时间相当于普通不锈钢的五倍。开始设计阀杆用此材料,其内孔Φ32×1170,某航空工艺研究所外协报价10万元,他们说加工这根阀杆,要到英国进口一根钻头,需要6万元。后来通过改进设计,阀杆外面增加保护套和隔热层,阀杆主体的温度控制在500℃以下,阀杆材料改为耐热不锈钢4Cr14Ni14W2Mo,机械加工就容易多了。 
 
3.2 阀芯、阀座密封面的堆焊  
  阀芯、阀座材料为高温合金钢GH3128,密封面堆焊硬质合金Co119。在GH3128上堆焊Co119,国  
内阀门行业从未见过。开始请全国阀门行业最知名的阀门焊接专家高清宝教授(1960年清华大学焊接专业毕业),高教授说从未听说过。后来请上海焊接工艺研究所试验,该所科技人员通过四次焊接工艺评定,才获得成功。  

3.3 阀芯内、外密封面的加工  
  阀芯内、外密封面均为球面,均堆焊Co119,硬度达HRC57。内外球面的表面粗糙度Ra0.2,而且要求内、外球面同心,所以磨球的工艺装备的设计制造都有很大的难度。  

3.4 阀杆外套的加工
  
  阀杆外套壁厚只有8mm,外径Φ120 mm,长度1100 mm,外表面堆焊硬质合金。由于焊接面积大,堆焊时间长,极易产生裂纹。本公司采用预热分段氩弧焊方法攻克了这一难关。  

3.5 上、下阀芯的组装和焊接  
本阀门的阀芯组装是十分困难的(见图3,组装工序分以下五道:  
(1)  将下阀杆和阀杆头部用螺纹旋紧,焊牢;  
(2)  将阀杆外圆的环槽内包裹硅酸铝纤维布,然后套上阀杆保护套;  
(3)  将阀杆保护套和阀杆头部连接处焊牢;  
(4)  将阀芯上部套到阀杆头部,并将阀芯下部与阀芯上部用螺纹旋合;  
(5)  将上、下阀芯焊为一体。焊接需要专用工装和特殊的焊接工艺。  

3.6 阀体衬里工艺  
阀门应在壳体强度试验和上、下阀座密封试验合格后,才能在阀体内壁进行衬里。本阀门的衬里工作量很大,衬里工序为以下六道:  
(1) 将钻好通气孔的三层隔热套管分层套上,并分别焊上隔板垫;  
(2) 按图纸尺寸加工套管外形;  
(3) 在阀体内壁和套管外圆分别焊接套管固定板;  
(4) 套管外面分别包裹硅酸铝纤维布、纤维毡,每层皆用304不锈钢丝扎紧,然后放入阀体内;  
(5) 用304材质的螺栓紧固件将隔热套管与阀体内壁的连接板固定;  
(6) 将空隙处塞紧硅酸铝纤维棉。  

3.7 阀门冷却系统的加工和安装  
  阀门的冷却系统主要是阀杆和阀座的内冷却系统,就以下阀座的冷却结构图为例(见图1和图5),阀底座的外侧分别钻有进气孔和出气孔,孔口攻螺纹与管接头相配。阀底座纵向钻有进气孔和出气孔,分别与螺纹孔连通。下阀座的密封面外侧,车出环形冷却槽,槽口焊堵,环形冷却槽通过径向孔和下端面孔分别与阀底座的冷却孔相通,这样就将冷空气进入下阀座,对密封面附近区域吸热冷却。  
  阀芯外冷却管的加工十分困难,要在环形冷却管的内侧钻40多个直径只有2mm的斜孔,工艺性很差。冷却管要焊在冷却架上,冷却架再焊在阀座上,既要焊牢,还要保证内部气路畅通,还不能在焊缝处向外漏气,施工困难。  

4.  结语  
  高压超高温三通换向阀,由于在结构和选材上设计合理,已经经受了长期的“三高”介质的考验。在传动方面,由于采用了阻尼储能弹簧和缓闭可调油缸,不仅在操作上振感轻微,而且换向时间稳定在1.88秒~1.98秒,达到设计要求。该产品的研制成功,不仅在同时具备“三高”介质的尖端阀门的研制上摸索了经验,同时在气液动传动机构上也探出了新路。该产品研制成功后,现在又在生产一台液压传动900℃、12MPa压力的风洞超高温阀门,还在研制一台工作温度为1123℃、12MPa压力的风洞超高温阀门。随着国家科技的高速发展,阀门界将面临许许多多新的课题,将迎来许许多多新的挑战!衷心祝愿我们阀门界的朋友们,大家手拉手,大胆往前走! 

本文Tag:高压超、高温、三通、换向阀、研制
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