高温超高压电动角式截止阀的设计
 祝捷
(海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室，辽宁 沈阳 110168)

摘要:介绍了高温超高压电动角式截止阀的主要特性和工作原理，分析了阀门设计中的难点，论述了关键技术问题的解决方案。

1 概述

随着科学技术的进步和工业化的发展，新的成套设备工艺流程和性能不断出现，对阀门性能提出了更苛刻的要求，促使高参数阀门的种类不断增加。本文介绍一种超高压非腐蚀性介质气体管路系统用高温超高压电动角式截止阀。

2 主要性能

公称压力 200MPa

公称尺寸 5mm

适用介质 氢气、氮气或氢氮混合气体等

工作温度 650℃(瞬时)

驱动方式 电动阀门工作时能承受加速度为2g，振幅为2cm的瞬间振动。阀门能在真空度为150 MPa下使用，真空度下降不大于5Pa/min。并要求阀门整体密封性好，操纵轻便灵活，使用性能可靠，寿命长。

3 工作原理

高温超高压电动角式截止阀主要由阀体、阀瓣、阀杆、阀轴、支架、填料、填料压盖和电动装置等组成(图1)。阀门工作时，高温超高压气体通过管道进入截止阀入口接管嘴，通过开关电动装置驱动阀杆与阀轴旋转并上下移动，带动阀瓣脱开或压紧阀座，达到接通或切断气体介质。

4 分析

4.1 密封

在高温超高压气体条件下，阀门密封困难。在阀门中腔的中法兰处和阀杆密封的填料函处等外密封部位容易出现外泄漏。在阀座与阀瓣组成的密封副部位容易出现内泄漏。

4.2 结构

如采用常规结构，阀门操纵力矩大，开关阀门不灵活，电传动装置外形尺寸大，阀门整机尺寸和质量加大。受安装空间限制，采用常规结构将影响用户安装使用。阀杆为细长杆，要承受较大的弯矩与扭矩。

4.3 冲蚀

由于阀门工作介质为高温超高压气体，阀门开启后，阀体内腔、阀瓣和阀座等部位受高温、高速及超高压气体冲蚀作用影响较大。阀门工作一段时期后，随着材料疲劳和气流的不断冲蚀，使阀瓣、阀座密封面和阀体内腔与介质接触壁面材料产生集中变形，造成微小的局部损坏，降低了阀门的承载能力，并产生振动和噪声，最终导致阀门零部件的破坏，阀门无法正常使用，影响系统的安全运行。

4.4 检验

由于阀门工作压力高，按国家标准有关规定，阀门壳体强度试验压力为38℃(100F)下压力额定值的 1.5倍，阀门密封试验压力为38℃(100F)下压力额定值的1.1倍，普通填料在此压力条件下无法正常固定压紧，并有介质不断从填料函中溢出，不能保证密封。

4.5 加工

阀门公称通径较小，阀体中腔内径小而长，而且加工精度要求较高，在加工工艺上存在一定难度。因为阀座镶嵌在阀体内，无法堆焊及加工密封面。

5 设计

5.1 零部件

阀体部分采用分体锻造结构形式，阀体由进口端、出口端、阀体、阀座、透镜垫等几部分组成。其中进口端、出口端采用整体锻造形式，加工成型后与阀体通过螺纹连接组合而成。

阀座密封面堆焊Co一Cr一W硬质合金，加工、研磨、抛光后采用紧配合压入阀体内。这种结构减少了阀门零部件，简化了阀门结构，压缩了阀门外形尺寸，提高了材料的利用率，降低了加工难度和对高精度加工设备的需求，并可随时维修更换阀门易损零部件。

为解决阀杆细长、稳定性不好的问题，在设计上采用了上下两段式阀杆结构。两阀杆之间采用柔性连接，并在两阀杆之间设有碟形弹簧。既保证了传递扭矩的功能，又解决了阀杆的稳定性问题，而且可以避免电动装置关闭阀门后，由于机械惯性造成的对阀瓣和阀座密封副的冲击。

5.2 填料

阀杆密封填料采用夹金属丝编织填料，并在填料之间增加多个铜合金衬环，解决了填料易被介质压力顶出、填料不易压紧和填料不能密封等问题。

5.3 防冲蚀

为解决阀门受高温、高速和超高压气体冲蚀作用影响，在设计上采用了防护措施。

(1) 提高阀门的常用开度

阀门消耗的能量主要由截流部件和阀体阻碍，以及气体的摩擦损失所吸收。阀门开度较小时，截流部件承担了大部分能量。阀门开度提高后，虽然阀体所承受的负荷增大，但能把其中一部分能量转向流体内部，使主要的截流部件远离被冲蚀位置，从而延长截流部件的使用寿命。

(2) 与介质接触面的保护

在阀体内腔、阀瓣外表面和阀座内表面(除密封面堆焊Co一Cr一W外)镀镍，增加零部件与介质接触面的硬度，提高阀门的耐冲蚀性及阀门的使用寿命。

 (3) 材料

对易受冲蚀的阀门零部件，尽量选用硬度高、屈服点高、稳定性好及疲劳强度高的材料。

5.4 防泄漏

为解决阀门在高温超高压工况条件下密封问题，从防内漏和防外漏两方面采取措施。

(1) 防内漏

截止阀密封副常用结构有球形、平面、锥形和针形等4种结构(图2)。

球形密封面的密封副为线密封结构，密封性能好，阀瓣与阀座之间无摩擦，开关阀门力矩较小，阀门使用寿命长。但球形密封面须用专用设备加工和研磨，制造成本较高。

平面密封面的密封副为面密封结构，密封性能较差，需要较大的密封比压才能使阀门达到密封。因此，阀门开关力矩大，阀门的使用寿命低，但加工制造较容易。

锥形密封面的密封副为面密封结构，密封性能较好，阀瓣与阀座之间存在摩擦，开关阀门力矩大，阀门使用寿命短，加工制造较容易。

针形密封面的密封副为线密封结构，密封性能好，阀瓣与阀座之间无摩擦，开关阀门力矩较小，阀瓣密封面为本体加工研磨形成，不需要堆焊硬质合金，减少了加工工序，节约了能源，加工制造较容易，阀门使用寿命长。

图2 密瓣密封而形式

通过对几种阀瓣结构的比较可以看出，针形密封面较适用实际使用工况，因此阀门密封副采用针形密封结构(图3)。

图3 针形密封副

(2) 防外漏

为防止阀门产生外漏，阀门采用阀杆下装式结构。阀门采用阀杆下装式，取消了阀盖，不但简化了阀门的结构，而且也避免了阀体与阀盖连接处的泄漏。

6 检验

为保证阀门在长期工作条件下的可靠性与稳定J险，对阀门关键部件材料进行了化学成分检验、力学J险能检验、金相组织检验及无损探伤检验。

7 结语

高温超高压电动角式截止阀的各项性能试验证明，阀门结构设计合理，外形尺寸小，性能可靠，电动装置操纵力矩小、动作灵活，满足工况的要求。