4 超超临界火电机组阀门设计

4 .1 材料许用应力

F92许用应力以2005年欧洲蠕变委员会(ECCC)发布的AS TM G rade 92 .100000H中的高温强度资料为依据,结合ANSI/ASME B16 .34加以编制。WB36许用应力应按DL/ T 5054—1996《火力发电厂汽水管道设计规定》附录A .4常用德国钢材的许用应力表为依据,结合公制阀门加以编制。

4 .2 温度-压力基准表

F92/P92为美国针对超超临界火电机组而开发的材料,但尚未编制F92温度-压力基准表标准。国内厂家根据使用美国标准的经验,仿照ANSI/ASME B16 .34制作F92温度-压力基准表。

WB36为德国首先开发的材料,国内厂家仿照国内相关温度-压力表制作WB36温度-压力表。

4 .3 阀体结构设计

国内超超临界火电机组阀门生产批量不大,交货时间短,设计锻模也不现实。分析阀体三通结构特点,结合国内F92和WB36生产情况,与KSB、S EMPELL、PERSTA等国外公司分体锻造、再焊接方式相比较,采用整体自由锻造阀体的方法,质量会更加可靠。此后对细晶粒高强钢焊接质量稳定性进行了提高,再采用分体锻造阀体的方法,极大缩短了生产周期并降低了生产成本。

4 .4 阀体有限元分析

超超临界火电机组阀门承压关键部件是阀体。由于阀体结构复杂,工作参数高,故先采用传统设计手段初步确定阀体结构,而后利用计算机辅助设计和有限元分析校核,根据分析结果修正设计参数,以获得最优值。对于超超临界火电机组阀门阀体,主要考虑在阀体内部压力和高温共同作用下,阀体上等效应力及变形量分布情况。阀体上的温度场分布情况复杂,分析时以热量通过阀体两侧的传热过程作为分析模型,综合考虑阀外的保温层作用,简化模型,合理确定阀体内外壁的对流传热系数。然后进行温度场分析,确定阀体上温度分布情况。最终计算温差应力分布情况,将温差场和应力场耦合叠加,得到符合实际工况的计算结果。传统设计方法主要靠经验公式,设计趋于保守,而利用计算机辅助设计和有限元分析阀体力学特性,设计准确性和可靠性明显提升。

5 超超临界火电机组阀门焊接

自2000年起,西安热工研究院、国网北京电力建设研究院、上海锅炉有限公司、东方锅炉有限公司、东方汽轮机有限公司、哈尔滨锅炉有限公司、哈尔滨工程大学及有关单位对WB36、F92等细晶粒高强钢焊接工艺进行了大量的试验和研究,得出了很多具有指导性的数据,制定了焊接工艺规范,但WB36、F92钢阀门焊接有其共性和特殊性问题值得研究。

5 .1 共性问题

WB36、F92等细晶粒高强钢的强韧化机制与传统钢不同,一般通过控轧控冷工艺制造。在焊接过程中,焊缝金属很难通过细晶强化和位错强化来改善焊接接头的性能,因而必须全面考虑其焊接与传统钢不同性问题:①晶粒粗化和软化。在焊接热作用下,细晶粒钢晶粒长大的驱动力很大,必然导致焊接热影响区晶粒严重粗化和软化,这将影响整个接头性能与母材性能的匹配[ 6]。②焊接冷裂纹。冷裂纹是在焊后冷却过程中,在马氏体开始点Ms以下的温度范围内形成的一种裂纹。为获得与母材相等性能的焊接接头,需要对焊接材料、焊接方法及焊接工艺进行合理选择[ 7]。要防止晶粒粗化和软化,必须将焊接线能量控制在20 kJ/cm以下,最好采用高能量密度、低热输入的焊接工艺和方法———激光焊、超窄间隙焊(UGMA)或脉冲MAG焊。与普通的埋弧焊相比较,窄间隙焊所开坡口两侧面几乎平行,坡口厚度100～200 mm焊接,若采用窄间隙焊接,其坡口间隙14～24 mm ;若采用超窄间隙焊接,其坡口间隙仅4～5 mm ,均可显著节省熔敷金属量,缩短焊接时间,提高生产率。此外,由于焊接熔敷金属少,焊缝收缩量和焊接内应力小,对热影响区组织影响也小。而母材熔化

量少使焊缝金属受母材成分的影响较小,杂质和合金成分等对焊缝影响也较小,这些特点对F92和WB36等细晶粒钢和高强钢的高效可靠焊接具有重要意义。从焊接的致密性、焊缝的强度和塑性来评定,窄间隙焊都是良好的焊接线能量控制方法。

5 .2 特殊性问题

WB36、F92钢阀门焊接与管子焊接除左右阀体或上下阀体对接焊相同外,其特殊性表现在阀体-阀座部位埋弧焊,阀体-导轨角焊接,阀座密封面、闸板密封面和中腔自密封等部位堆焊。阀门的焊接不仅有连接焊,还有密封堆焊,可以采用工厂化焊接接头,按照ASME规范作WB36手工对接焊、WB36埋弧焊、WB36 +司太立6#堆焊、WB36 +A307堆焊、F92手工对接焊、F92埋弧焊、F92 +司太立6堆焊和F92 +A307堆焊等焊接工艺评定。

6 超超临界火电机组阀门机械加工

国外采用加工中心、数控机床和专用机床对超超临界火力机组阀门进行机械加工,机械加工质量决定了阀门精度和动作可靠性。

6 .1 阀体加工

阀体中腔自密封、阀座密封面加工尺寸精度和形状位置精度是机械加工的关键。而阀体加工过程中焊接工艺量和难度较大,应在满足焊接工艺技术要求的前提下,集中焊接工序,同时合理安排机械加工顺序。

6 .2 闸板加工

闸板多采用楔式弹性单闸板结构。双闸板零件较多,结构相对复杂。弹性闸板的微量变形可满足产品性能,弥补密封面角度加工过程中产生的偏差,具有良好的密封性能。堆焊stellite 6后密封面抗擦伤性好,耐冲蚀,硬度高,使用寿命长。闸板的加工关键在于两密封面之间的几何精度、表面粗糙度和表面硬度,可采用专用方法和研磨工具来保证密

封面精度。

6 .3 试压设备

超超临界火电机组阀门一般配有旁通部件,尤其对压力高、口径大的阀门,其试验压力大都超过70 .0 MPa ,需要配置大型试压设备。