带散热器高温高压耐腐抗磨安全阀

1、带散热器高温高压耐腐抗磨安全阀永嘉胡陈春一、立项的背景和意义安全阀是启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值的特殊阀门，是锅炉、压力容器和其他受压力设备上重要的安全附件，控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。随着我国经济建设的快速发展，在带有压力操控的设备项目工程越来越多，鉴于设备泄压的需要，安全阀在保护设备过程中起到至关重要的作用。 2007年到2013年，中国经济呈现持续增长，专家预测在未来几年GDP的增长速度亦较为乐观，将推动产业用电需求的进一步增长。同时根据国家“十二五”规划

2、，节能减排成为我国电力工业结构调整的重要方向，关闭大批能效低、污染重的小火电机组，在很大程度上加快了国内火电设备的更新换代，拉动火电设备市场需求。因此，火力发电业的改革需要大量的安全阀支持，来防止压力设备和容器或易引起压力升高或容器内部压力超过限度而发生爆裂。现有技术的安全阀应用在被保护系统的管线或压力容器上，以保证管线或者压力容器的安全性，目前的安全阀虽然解决了自动泄压、安装简便、体积小的问题，但均存在一定的缺陷，比如散热不好，开启或者关闭时动作不够流畅，影响使用效果；运行时不够平稳，耐磨抗擦性能不好，影响了密闭稳定性和使用寿命，调整不便，安装维护复杂；不能解决弹簧受热无法散发，阀杆和阀瓣连

3、接不精准等缺点；特别是因安全阀失效或者损坏产生的特种设备事故，造成了人员伤亡与经济损失等问题。本公司根据目前先进安全阀的结构性能，结合公司多年来安全阀研发的经验与成果，研究用于锅炉锅筒或过热器的超压泄放的带散热器高温高压耐腐抗磨安全阀，选用较为坚硬不易磨损的材料，以保证有较高精度的密封性和可靠性，具有耐腐抗磨的效果，在结构设计时，考虑加工工艺，提高安全阀散热效果，开启关闭精准、密封效果良好，工作稳定可靠，操作维护方便，适合高温高压场合。项目的成功，为企业占据高端安全阀市场提供良好的市场，并促进我国电站安全阀门的发展，满足火力发电行业改革需要，进一步提高能源转换效率来满足生活用电，对火力发电行业

4、具有重要的意义。二、国内外研究现状和发展趋势安全阀是锅炉、压力容器和其他受压力设备上重要的安全附件，即安全泄放装置，控制压力不超过设定压力时，阀门阀口开启用以泄放被保护系统的超压。当压力降至规定值时，阀门自动关闭，从而保护机组的安全运行。自从法国工程师1707年发明第一台重锤式安全阀以来，现在安全阀结构已有了很大的发展，主要有弹簧直接载荷式、重锤式、静重式、电磁辅助加载或卸载式、脉冲式等。国际市场上具有代表性的安全阀厂家有安德森、格林伍德和克劳斯比。我国对安全阀的研究起步还是较晚，但发展速度很快。近年来，陆续突破了材料、设计、制造等方面的技术难题，主要的研究集中在安全阀的结构和性能方面。国内主

5、要研究的安全阀有弹簧式、杠杆式、先导式三大类。比较具有代表性的研究有：高雪云等采用扫描电子显微镜对铸造高温合金安全阀断口进行观察，分析了安全阀密封结合面失效断裂的影响因素；刘龙等通过有限元软件对核电安全阀进行抗震分析，获得了核电安全阀设计的可靠依据。较有发展前景的企业有永一阀门集团的安全阀和罗浮阀门集团的安全阀，对安全阀的弹簧失效、阀杆弯曲、阀瓣安装不当、密封面泄露等技术具有较好的经验，成为国内较为知名的安全阀生产企业。而我们企业也重视安全阀的研究生产、加快产品结构的调整，进行高温高压和耐磨技术的更新，使高温高压安全阀从研究开发到生产销售，经历多次技术变更，从安全阀的功能原理、结构、工艺、材料

6、等研究，解决安全阀的耐磨、耐腐、耐高温高压、起跳压力、机械摩擦、整定压力、测量精度、自动化程度等优越性能的带散热器高温高压耐腐抗磨安全阀，实现阀门的零泄漏、耐腐抗磨、安全可能、性能稳定。三、研究开发内容和技术关键 1、研究开发内容1）分析安全阀的结构特征和工作原理，建立安全阀数学模型，通过CAD辅助设计、workbench软件仿真分析，并建立三维装配模型，根据热力学、流体力学和热工理论基本定律进行高温高压阀体温度分布、热传导、阀体热应力应变和阀腔介质流体特性的研究。2）考虑各种因素，为防止可能出现的问题以及安全生产，进行安全阀的结构特点、密封分析、背压将影响其动作特性，在温高高压下材料的耐高温

7、耐腐抗磨性能研究，以及阀门散热结构，并安全阀进行设计计算，能够满足使用功能。3）研究安全阀的回座压力与排放压力影响其动作的灵敏性与排放的稳定性，安全阀内台阶限位结构，可能造成阀瓣全开时受到冲击力而造成阀瓣变形，阀座与阀体连接采用焊接工艺，但焊接时材料易产生应力变化，局部材料由于焊接会导致龟裂。4）在高温高压工况下，阀门主体材料的选用、阀座、阀瓣密封面的耐腐耐磨材料以及加工工艺、弹簧与其他紧固件的材料选用，确保产品性能可靠，使用寿命长。2、技术创新点与关键技术1、在阀体与阀盖间采用散热器结构，紧贴阀盖与阀杆周围，有效解决热传导散热性能，避免弹簧温度过高导致性能下降或不稳定，使工作性能达到精准可靠

8、的效果。2、阀门主体采用高温合金钢C12A，阀座采用耐高温奥氏体不锈钢锻件F310，阀杆选用奥氏体不锈钢SA276 XM-19，其阀座密封面和阀杆头部采用堆焊Co基硬质合金，阀瓣选用锻件Inconel 718，弹簧采用耐高温30W4Cr2VA，以这些优质的耐高温材质组合实现耐温、耐压、耐腐和抗磨的目的。3、项目采用背压调整结构，其由罩盖、背压调整螺母、背压调节螺钉、阀瓣保持螺母等组成，辅助调节阀门的回座压力及排放压力，有效克服了背压对安全阀排量和整定压力的影响。四、预期目标（主要技术经济指标、知识产权申请情况、应用前景）1、项目主要技术指标：1）公称尺寸：NPS482）压力等级：CL2500；

9、3）适用温度：510；4）整定压力：18.6MPa±1%；5）适用介质：蒸汽。2、主要经济指标：1）年新增产值350万元；2）实现利税120万元。3、知识产权申请情况： 我公司在项目完成后，将具有独立自主知识产权，产权归公司所有。4、应用前景： 在“十二五”规划中，中央着重强调重大装备制造业国产化的战略，争取在短期内尽可能重大工程项目和关键阀门实现国产化或部分实现国产化，使我国安全阀制造业走在世界前列，这为安全阀制造业带来了千载难逢的发展机遇。同时，投资者对高压安全阀市场的关注越来越密切，这使得高压安全阀市场越来越受到各方的关注，截止2013年各类安全阀制造商和贸易商已超过700多家

10、。然而，节能减排成为我国电力工业结构调整的重要方向，关闭大批能效低、污染重的小火电机组，在很大程度上加快了国内火电设备的更新换代，拉动火电设备市场需求，因此，火力发电业的改革需要大量的安全阀支持，来防止压力设备和容器或易引起压力升高或容器内部压力超过限度而发生爆裂。安全阀供求市场明显升温，市场前景良好。五、研究方案、技术路线，组织方式与课题分解1、研究方案：1）项目产品在火电机组的主旁路，高温高压蒸汽与阀体、阀体内部各零部件、阀体与周围环境之间都存在热量传递，其在高温高压情况下，项目产品的性能卓越，设计标准和各项技术指标均应满足国际标准和特定工况下的正常运作，且具有排放系数大、开启压力准确、启

11、闭压差小、密封性能好、调整方便的特点，所以我们必须对安全阀的结构特征和工作原理进行充分地分析和研究。公司研发小组建立安全阀数学模型，通过CAD辅助设计、workbench软件进行建模、仿真、分析，并建立三维装配模型，根据安全阀的温度场和流场特性，并充分利用热力学、流体力学和热工理论基本定律进行高温高压阀体温度分布、热传导、阀体热应力应变和阀腔介质流体特性的研究，得到最优秀的结构、热、流体等试验数据，为安全阀结构、功能、材料等提供研究依据。2）考虑各种因素，为防止可能出现的问题以及安全生产，进行安全阀的结构特点、密封分析、背压将影响其动作特性：将安全阀的阀座与阀体采用无应力安装方式，确保喷嘴与阀

12、体结合紧密，避免在阀体材料上采用焊接工艺所带来的材料应力变化和局部材料由于焊接导致的龟裂。阀瓣采用热应力补偿式结构，充分利用阀瓣的热变形来达到密封，热阀瓣被做成舌形结构，以利用其微小的弹性作用来防止泄露。其阀瓣带有弹性密封唇，压力越高，密封越可靠。阀瓣套外圆设计有沟槽可降低热膨胀的影响。安全阀采用背压调整结构，其由罩盖、背压调整螺母、背压调节螺钉、阀瓣保持螺母等组成，辅助调节阀门的回座压力及排放压力，有效克服了背压对安全阀排量和整定压力的影响。在阀门全开启时需有开高限位结构，采用在阀杆上安装一个开高限位套，在安全阀全开启时限位套与罩盖下端面接触而限位，避免阀瓣套因受强大的冲击力而变形。然而，通

13、过流体力学计算、泄放截面积计算、介质对弹簧的作用力计算、排放量的计算等，通过上述结构设计和设计计算分析研究，使阀门能够满足使用功能。3）安全阀工作环境严苛，零部件失效形式主要分为结构性破坏和功能性破坏，包括弹簧失效、阀杆弯曲、阀体破裂、密封面泄露等，安全阀要求零部件材料具有较好的强度、刚度、韧性、耐腐蚀性和抗磨损等性能。所以在高温高压工况下，我们研究阀门主体材料的选用、阀座、阀瓣密封面的耐腐耐磨材料以及加工工艺、弹簧与其他紧固件的材料选用，这对确保安全阀的安全可靠运行、产品性能可靠，使用寿命长显得非常重要。我们的选材如下：1）壳体材料的选用：壳体选用铸造成形，选用最高适用温度为600的高温合金钢C12A。2）内件材料的选用：阀座选用耐高温奥氏体不锈钢锻件F310，采用堆焊Co基硬质合金，确保其耐腐蚀、抗冲蚀、耐擦伤、有足够的挤压强度、在高温下有足够的抗氧化性抗热疲劳性、密封面与本体有相近的线膨胀系数、有良好的焊接性能与加工性能；阀瓣选锻件Inconel718，密封面本体加工，不需堆焊；阀杆选用奥氏体不锈钢SA276 XM-19，其头部采用堆焊Co基硬质合金，是安全阀中的关键零件，主要起传导载荷作用，在580度高温下仍有很好的机械性能。3)紧固件材料的选用：-29593的高温合金属钢，螺柱选用SA193 B16全螺纹螺柱，螺母选用SA194 7。4)弹簧材料的选