高溫熔鹽節(jié)流閥的設計

摘要：闡述了用于高溫熔鹽工況的節(jié)流閥材料選擇、結(jié)構特點，并對其設計計算和檢驗進行了分析，對于高溫熔鹽節(jié)流閥的設計具有一定的參考意義。

關鍵詞：高溫熔鹽工況;節(jié)流閥;結(jié)構特點;波紋管密封;設計計算;檢驗

0? ? 引言

對清潔能源需求的增加，促進了太陽能和核能發(fā)電等行業(yè)發(fā)展。在其核心工藝系統(tǒng)中，用于熱交換的熔鹽管道除了需要各種開關閥門外，也需要一定數(shù)量節(jié)流閥來調(diào)節(jié)管路內(nèi)的熔鹽介質(zhì)流量。但介質(zhì)易結(jié)晶、具有腐蝕性以及開關調(diào)節(jié)頻繁的工況條件，要求高溫熔鹽節(jié)流閥除具有耐高溫、耐腐蝕、內(nèi)腔無死角、密封性能可靠等特點外，還必須帶有多種測控儀器接口以便監(jiān)測閥門運行狀態(tài)。

本文著重從材料選擇、結(jié)構設計、設計計算與檢驗等方面來介紹高溫熔鹽節(jié)流閥的設計。

1? ? 材料選擇

考慮不同溫度工況和熔鹽的腐蝕性，高溫熔鹽節(jié)流閥的主要零件選材可參照表1。

2? ? 結(jié)構設計

針對熔鹽介質(zhì)易結(jié)晶特點和閥門頻繁調(diào)節(jié)要求，須對閥門的流道型式、閥桿密封結(jié)構、閥芯節(jié)流方式等進行有別于傳統(tǒng)結(jié)構的設計，其典型的內(nèi)部結(jié)構設計如圖1所示。

（1）閥體流道采用角式結(jié)構型式，防止介質(zhì)在腔體中滯留。

（2）閥體與閥蓋間密封采用金屬C型彈性密封圈與唇邊焊相結(jié)合方式，避免閥門中部泄漏的風險。

（3）閥桿采用無填料式雙重波紋管密封結(jié)構，克服了傳統(tǒng)密封結(jié)構在閥桿運動中帶出的介質(zhì)在填料低溫區(qū)凝固而引起閥桿卡塞的缺陷，結(jié)構原理如圖2所示。

在閥桿的上下部分布置兩個波紋管，下波紋管位于下腔體中，其外表面與高溫熔鹽介質(zhì)直接接觸;上波紋管設于上腔體中，其外表面與空氣接觸。

為了延長波紋管使用壽命，可在壓力平衡腔中充入一定壓力的稀有氣體，使得下波紋管在內(nèi)外壓差值較小的工況下運行;并在下體腔的四周設置擾動阻擋板，防止流動的高溫介質(zhì)直接沖擊下波紋管外表面。

（4）閥芯與套筒采用多道柵格節(jié)流孔的型式，在不影響流通面積的前提下可有效縮短波紋管運行長度，延長了閥門波紋管使用壽命。具體柵格式節(jié)流結(jié)構型式和外形如圖3和圖4所示。

閥芯在閥桿上下運行的帶動下和套筒間的柵格孔對準時，閥門全部導通;當柵格孔錯位時，形成節(jié)流面積，對介質(zhì)流量進行調(diào)節(jié)，具有流量大、可調(diào)比大、行程短的優(yōu)點。

（5）閥門壓力平衡腔的壁中上設有溫度探測器接口，以便對閥門內(nèi)部運行溫度進行探測，保證閥門控制器在介質(zhì)結(jié)晶溫度以上才對閥門進行啟閉或調(diào)節(jié)操作。

（6）在下波紋管破裂情況下，因壓力平衡腔及長導管內(nèi)會被介質(zhì)堵塞，使得接在壓力平衡腔的進出導管間壓差發(fā)生變化，從而可以感知波紋管發(fā)生故障，結(jié)構原理如圖5所示。

當發(fā)生外漏故障時，可提起閥桿，使上密封結(jié)構接觸，隔斷閥門上唯一的外漏通道，并同時對上腔體外部的風罩內(nèi)通入冷卻氣體，使溢出到上腔體中的高溫介質(zhì)凝固，避免故障進一步擴大。

3? ? 設計與計算

3.1? ? 承壓閥體壁厚計算

在確定閥門內(nèi)部結(jié)構設計和承壓閥體內(nèi)徑后，按式（1）進行承壓殼體的壁厚計算：

式中，δ為閥體壁厚（mm）;Pc為閥門最大工作壓力（MPa）;Di為閥體內(nèi)徑（mm）;[σ]t為閥體材料在工作溫度下的許用應力（MPa）;[σ]CRt為閥體材料在工作溫度下和蠕變范圍內(nèi)的許用應力（MPa）;C為閥體壁厚在設計壽命內(nèi)的腐蝕裕量（mm）。

3.2? ? 中法蘭尺寸確定

閥門中法蘭設計主要采用參照法進行，根據(jù)閥門殼體材料性能，按式（2）確定適當?shù)墓Q壓力PN數(shù)值：

接著，按照此數(shù)值和閥體內(nèi)徑，查找現(xiàn)有的法蘭標準，如GB/T 9124、ASME B16.5等，確定中法蘭尺寸。

3.3? ? 中法蘭承壓螺栓在常溫和高溫下的強度核算

在常溫下，螺栓所受應力按照式（3）進行核算：

式中，DW為中法蘭唇邊密封焊外徑（mm）;AL為單個螺栓應力截面積（mm2）;N為螺栓數(shù)量（個）。

在高溫下，螺栓所受應力按照式（4）進行核算：

式中，[δL]t為高溫下螺栓材料許用應力（MPa）;[δL]CRt為高溫下螺栓材料蠕變范圍內(nèi)許用應力（MPa）。

3.4? ? 閥芯柵格孔總過流面積計算

閥芯柵格總過流面積按照式（5）進行計算：

式中，SA為閥芯柵格總過流面積（mm2）;λ為每流量系數(shù)的流通面積（mm2）;KV為按式（6）計算的閥門流量系數(shù)，無量綱。

式中，Q為熔鹽介質(zhì)在閥門中的設計流量（m3/h）;ΔP為閥門進出口端的靜壓差（kPa）。

根據(jù)經(jīng)驗，式（5）中參數(shù)λ值可初步設置為2 mm2，但在每種規(guī)格產(chǎn)品定型前應對樣機進行流通能力的試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果再修正參數(shù)λ和總流通面積SA。

3.5? ? 波紋管設計

波紋管自由高度與行程、閥位間關系如圖6所示。

其中，H=（0.05～0.08）L，H1=0.7H，H2=0.3H。

應當指出，用于熔鹽工況的波紋管宜采用焊接式，且其內(nèi)徑應比閥桿外徑大2～4 mm，外徑與內(nèi)徑之比為1.3～1.5。

3.6? ? 閥桿推力計算

根據(jù)閥門結(jié)構特點，運行中的閥桿始終受到內(nèi)部介質(zhì)向外推力、波紋管彈性力以及截斷時密封面力的共同作用，并在閥開位和閥關位達到最大值，具體如式（7）和式（8）所示。

在閥開位置，閥桿受力：

在閥關位置，閥桿受力：

式中，DB為波紋管外徑（mm）;k為波紋管剛度（N/mm）;DM為各柵格密封面中徑之和（mm）;q為柵格密封面密封比壓（N/mm）。

分析閥桿受力情況，也為選擇閥門執(zhí)行機構提供了理論依據(jù)。

4? ? 檢驗與試驗

為保證閥門在高溫熔鹽工況下可靠、安全工作，在制造過程中應對以下幾個關鍵工藝節(jié)點進行檢驗：

（1）應先制作樣機對多道柵格節(jié)流孔的流通能力和可調(diào)比進行測定，保證滿足設計需求;

（2）對組裝前的波紋管進行氦氣檢漏;

（3）對殼體首先進行無內(nèi)部零件的水壓強度試驗，試驗合格后拆解殼體;

（4）接著對所有零件進行禁油、禁水處理，并檢查合格;

（5）所有圖紙上要求密封并嚴禁碰傷的表面，均應在每道工序后給予檢查;

（6）閥體組裝后只能使用氦氣對閥門進行壓力試驗，并用氦質(zhì)譜儀進行檢漏;

（7）泄漏試驗合格后，應安裝上執(zhí)行機構，調(diào)整連接螺母，使得閥芯與套筒柵格節(jié)流孔在全開信號下完全對準，在全關信號下完全遮斷;

（8）對執(zhí)行機構輸入4～20 mA信號，對閥門進行30 min以上的不間斷操作試驗，閥門應運行順暢、無卡阻;

（9）最后將干凈的閥門裝入全新PE薄膜袋并充入氮氣保護。

5? ? 結(jié)語

因高溫熔鹽節(jié)流閥運行工況要求，其結(jié)構特點必然不同于常規(guī)的調(diào)節(jié)閥，并且在閥門上增設有不同的傳感器和執(zhí)行器接口，屬于比較先進的機電結(jié)合產(chǎn)品，但只要精心選材、設計、編制工藝規(guī)則并制作相關工裝夾具，然后嚴格按照制定的規(guī)范進行制造與檢驗，閥門均能可靠地運行于相應的管道系統(tǒng)中。需要指出的是，在使用中進行監(jiān)測和定期維護，按照規(guī)程操作閥門也是很重要的。

[參考文獻]

[1] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[2] 聞邦椿.機械設計手冊[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3] 中國機械工業(yè)標準匯編：閥門卷[M].5版.北京：中國標準出版社，2016.

[4] 壓力容器：GB 150—2011[S].

[5] 鋼制管法蘭：GB/T 9124—2019[S].

[6] 工業(yè)過程控制閥 第2-1部分：流通能力 安裝條件下流體流量的計算公式：GB/T 17213.2—2005[S].

[7] 脫脂工程施工及驗收規(guī)范：HG 20202—2014[S].

[8] 電站閥門：NB/T 47044—2014[S].

收稿日期：2020-04-22

作者簡介：陳聲坦（1971—），男，福建長樂人，工程師，從事閥門產(chǎn)品的研究與開發(fā)工作。