高压超高温三通换向阀的研制

李保升，吴尖斌，王靖旺，邵程达

（浙江石化阀门有限公司，温州325025）

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。

一、概述

高压超高温三通换向阀是空气动力装置（风洞）上使用的特殊阀门，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≤2s。总装图如图1所示，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≤2s。

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、阀座及阀杆等主要零件，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

本阀门的通径虽然只有200mm，但因结构复杂，阀门本体重达7.3t，连同安装底座，总重为15t。该产品于2006年列入浙江省重大机电装备专项，2009年2月14日已通过省科技厅验收。2008年5月进行省级新产品鉴定，鉴定委员会根据该产品的国际查新报告、用户的国际考察报告、用户三年的使用意见、生产厂的试制总结报告和发明专利证书，确认该阀门是国内、外首创，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。

二、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。广大设计人员、项目课题组人员与清华大学、天津大学、军事交通学院的相关人员共同研究，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。

 1.阀门总体结构

本阀门的流道是一进二出，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。上阀座镶焊在阀体上，下阀座镶焊在阀底座上。阀芯总成随阀杆总成同步上、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、阀芯选用高温合金GH3128，能在900℃时连续工作100h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。

 2.三层两体式阀芯结构

三层两体式阀芯结构如见图2所示，阀芯“浸泡”在三高（高温、高压、高速）气流中，工作环境极为恶劣，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，第二层为硅酸铝纤维隔热层。阀芯主体材料是高温合金GH3128，能在900℃时连续工作100h。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，在750℃时仍保持32～35HRC的硬度。在阀芯内部上、下各有一个凹球面，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

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，如图3所示。所谓三体是指上阀杆、下阀杆和阀杆头部。四层是指下阀杆的内外由四层组成，最外层是保护套，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，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，选用45Cr14Ni14W2Mo高强耐热钢。第四层为冷却管，冷却空气从进气口进入管内，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