高温高压双金属片式疏水阀的设计_夏娟

文章编号: 1002- 5855( 2012) 03- 0007- 02 作者简介: 夏娟( 1983 ) ， 女， 山西人， 学士， 从事阀门的设计和研发工作。 高温高压双金属片式疏水阀的设计 夏娟 ( 阿姆斯壮机械( 中国) 有限公司， 北京 102629) 摘要介绍了高温高压双金属片式疏水阀的工作原理以及特殊结构的设计， 论述了双金属片 材料和组合结构的选择， 优化了阀门在恶劣工况下阻汽排水性能。 关键词疏水阀; 双金属片; 高温高压; 结构 中图分类号: TH134文献标识码: A The design of the bimetal elements steam trap under high temperature and high pressure XIA Juan ( Armstrong Steam And Condensate Group( China) Co ， Ltd， Beijing 102629， China) Abstract: Introduces the working principle， material and special structure of the bimetal elements steam trap under high temperature and high pressure Especially analyzes the structure and material for the bi- metal This ensure the bimetal elements steam trap better resisting steam and discharging water in bad condition Key words: steam trap; bimetal; high temperature and high pressure tif; Structure 1概述 双金属片式疏水阀结构简单， 启闭动作灵敏， 耐 水击， 能在低于饱和温度下排放凝结水， 减少闪蒸蒸 汽损失， 易在线维修， 不限制安装位置， 节能效果显 著。但在过热蒸汽管线下， 长期处于高温高压恶劣 工况的疏水阀使用寿命低。本文针对此工况对双金 属片式疏水阀的材料、 结构进行分析， 保证其在过热 蒸汽系统下的长期使用寿命。 2工作原理 双金属片式疏水阀( 图 1) 工作压力 10MPa， 最 大工作压差 8. 7MPa， 工作温度 400。该阀是一种 自力式温度控制阀， 其主要部件是双金属片感温元 件， 随蒸汽温度升降受热变形， 推动阀芯开关阀门。 当装置刚起动时， 管道出现低温冷凝水， 双金属片是 平展的， 阀门处于开启位置， 低温凝结水和空气迅速 排放出去( 图 1a) 。当冷凝水温度渐渐升高， 双金属 片感温元件开始弯曲变形， 先期给定双金属片组件一 定的间隙量， 当温度上升到一定值时， 双金属片组件 的变形量超过了控制间隙量， 产生了热推力并将阀芯 推向关闭位置， 实现了阻汽排水的目的( 图1b) 。 ( a) 阀开( b) 阀关 图 1双金属片式疏水阀工作原理 3材料选择 3. 1双金属片 双金属由两片不同热膨胀率的金属片黏结而 成。当金属片加热后， 其弯曲至预定形态， 可作监 察、 量度或调节热力之用。因此， 双金属片的材料选 择尤其重要。针对疏水阀的性能和介质要求， 在 72012 年第 3 期阀门 选择时必须考虑双金属片材料的抗腐蚀性。选择 适当的允许使用温度范围。双金属片允许使用温度 的上下限必须超过疏水阀最高和最低允许温度。 考虑材料的线性温度范围。双金属片在线性温度范 围内， 其比弯曲值与温度之间呈线性关系， 热敏感性 强， 所以线性温度范围越宽越好。考虑原材料的 热敏感性和机械性能， 主要是双金属片的比弯曲和 弹性模量两个参数。 3. 2阀体和内件 阀体和阀盖采用锻造铬钼合金钢 F91， 耐高温 可达 600。F91 在高温下有优良的持久和蠕变性 能以及低的线膨胀系数， 有良好的工艺性， 长期运行 下有优异的组织性能。 阀芯和阀座采用 TC4 钛合金。TC4( Ti 6Al 4V) 属于 + 型合金， 综合性能良好， 质量轻， 强度 高， 耐金属疲劳， 化学性能稳定， 使用温度范围宽。 使用钛合金阀芯和阀座确保了在过热蒸汽系统的恶 劣环境下阀门良好的密封性能， 同时提高了双金属 片式疏水阀的使用寿命。 4结构设计 4. 1总体结构 双金属片式疏水阀由壳体和动作执行机构两部 分组成( 图 2) 。动作执行机构主要是由双金属片组 件、 阀芯和阀座等组成。阀内置有不锈钢过滤网， 可 以防止杂质进入堵塞密封装置。阀门设有调整螺 母， 可根据需要调整双金属片组件的间隙， 调节使用 温度。 1. 阀芯2. 阀座 3. 双金属片组件4. 调整螺母5. 过滤网 图 2双金属片式疏水阀结构 4. 2阀芯结构 阀座和阀芯的密封属于线密封， 阀芯倒装兼有 止回的作用( 图 3) 。为了解决在高温下疏水阀过冷 度大和动作滞后等问题， 将阀芯设计成逐级节流的 结构。在工作过程中阀芯和阀座之间构成了两级节 流环， 在开始的时候温度较低， 双金属片处于平展状 态不产生推力， 此时阀门处于开启状态， 冷凝水通过 二次节流机构。当温度逐渐升高， 双金属片产生的 热推力逐渐增大时， 阀芯逐渐关闭， 两节流环之间的 中间压力也逐渐增大。当工作温度接近饱和温度 时， 中间压力达到最大， 当蒸汽进入阀内， 温度继续 升高， 中间压力下降， 此时双金属片的热推力达到最 大， 阀门迅速关闭， 起到阻汽的作用。当阀门关闭 后， 介质压力只作用在密封面上， 两节流环之间的中 间压力不存在。当阀门内的温度降低时， 蒸汽凝结 成水， 双金属片的热推力也逐渐减小， 阀芯逐渐开 启， 两节流环之间逐渐产生中间压力并作用在阀芯 上， 使介质对阀芯的作用力增大， 阀芯迅速开启， 起 到排水的作用。阀芯逐级节流的结构设计使阀芯启 闭更加迅速， 当系统达到过热前， 阀芯就立即紧闭， 防止了蒸汽流失， 节能效果增加。 图 3二次节流密封副 4. 3双金属片结构 双金属片在工作过程中， 受热变形产生热推力， 其受力情况近似于简支梁。双金属片的几何形状、 几何尺寸直接影响到其在受热情况下的变形量。常 用的双金属片有圆盘形、 矩形和多边形等， 如果仅从 疏水阀能否动作上考虑， 采用结构简单的双金属片 即可， 如圆形或矩形结构。但在高温高压工况下， 为 了减小双金属片组件的体积和质量， 降低生产成本， 应采用多边形结构的双金属片( 图 4) 。 由于双金属片具有各相异性的特点， 在设计过 程中应考虑双金属片压轧的纤维方向( 图 5) 。双金 属片在受热时， 不仅产生纵向( 轧制纤维方向) 弯 曲， 而且产生横向( 垂直纤维方向) 弯曲。刚开始受 热时纵向弯曲速度大于横向弯曲， 但随着温度的逐 渐升高， 横向弯曲速度逐渐增大， 纵向弯曲速度逐渐 减小( 图 5a) ， 此双金属片的正交方向的热变形能较 差， 不利于 A 边发挥作用， 而( 图 5b) 所示的双金属 片的纤维方向与一组对边一致， 元件在工作工程中 各轮廓纤维点分别进入工作状态， 有利于各边都发 挥作用， 使双金属片式疏水阀排放冷凝水的温度曲 线和相同压力下饱和蒸汽温度曲线相接近， 更好的 起到节约能源的效果。( 下转第 10 页) 8阀门2012 年第 3 期 测试水嘴安装在阀门的最低处， 以便能把阀门内的 水排空。 1. 堵头2. 弹簧 3. 钢珠4. 上盘 图 2上盘组件 4设计计算 根据标准 CJ/T 324 2010 的要求， 真空断路阀 的工作压力不大于 1. 0MPa， 阀体应能承受 1. 5 倍公 称压力的强度试验。在0或以下时， 水若完全结成 冰， 其体积增加 1.1 倍， 压力也是原来的 1.1 倍， 即 1.1MPa， 因此取1.5MPa 作为安全阀的开启压力。 4. 1弹簧 Qt= 4 PD2 式中Qt 弹簧负荷， N P 钢球所受的力( P =1. 5) ， MPa D 上盘小孔的直径， mm 弹簧的负荷确定后， 可根据 GB 1239 计算和选 定弹簧的钢丝直径、 圈数、 刚度、 间距和自由长度等。 4. 2上盘厚度 Qt/( Dsb) 式中 材料抗剪强度， MPa Ds 上盘受力直径， mm b 上盘最小厚度， mm 5结语 国内关于阀门防冻装置的设计， 除了太阳能装 置用阀门有所涉及外， 其他阀门用得很少。压力型 真空断路阀门防冻装置， 可以应用到其他阀门上。 参考文献 1 杨源泉， 阀门设计手册 M 北京， 机械工业出版社， 1992 2 CJ/T 324 2010， 真空破坏器 S 3 CECS 274 2010， 真空破坏器应用技术规程 S ( 收稿日期: 2011. 11. 15 ) ( 上接第 8 页) 图 4双金属片 ( a) 双金属片纤维方向水平 ( b) 双金属片纤维方向与一组对边平行 图 5双金属片纤维方向 4. 4双金属片组合 根据双金属片的压力、 温度以及疏水能力不同， 可设计 1 组、 2 组或多组对合叠加的形式( 图 6a) 。 同时每组双金属片还可由 1 片、 2 片或多片复合叠 加( 图 6b) 。高温高压疏水阀采用双金属片对合叠 加， 增大了阀门的输水量， 提高了工作压力的范围。 如果在每组对合的双金属片之间加一个不锈钢 304 垫片( 图 7) ， 可使双金属片在工作过程中受热均匀， 尤其在高温工况下， 保证了其工作的稳定性， 使各项 机械性能达到设计要求。 ( a) 对合( b) 复合 图 6双金属片组合结构 图 7带垫片的双金属片结构 5结语 高温高压双金属片式疏水阀在过热蒸汽工况下 密封可