高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥的設計

　　介紹了高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥的工作原理，主要零件和結構的設計計算以及結構特點(diǎn)。

1、概述

　　雙金屬片疏水閥是通過(guò)溫度的變化自動(dòng)控制閥瓣開(kāi)啟和關(guān)閉，起到阻汽排水作用。雙金屬片疏水閥能連續排水或間歇排水，工作無(wú)噪聲，無(wú)振動(dòng)，不漏氣，不水擊，不凍結，能自動(dòng)排出冷空氣和不凝結氣體。根據現場(chǎng)工況的需求，設計了一種工作壓差為2. 0 ～ 15. 0MPa，溫度調整范圍100 ～ 340℃ 的雙金屬片式疏水閥。

2、疏水閥的設計參數

　　閥體材質(zhì)鉻鉬鍛鋼A182F22，公稱(chēng)壓力42. 0MPa，最高允許溫度550℃，最大排量300kg /h，最高工作壓力15. 0MPa，排水溫度調整范圍100 ～ 340℃，連接方式對接焊和法蘭連接。

3、疏水閥的工作原理

　　高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)疏水閥，圖1) 的圓環(huán)形雙金屬片在常溫時(shí)為平直狀態(tài)，彈簧彈力托起閥瓣，使排水口處于完全開(kāi)放狀態(tài)，管路中的冷空氣及初期凝結水可迅速排出。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為高溫介質(zhì)進(jìn)入時(shí)，雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的作用力克服彈簧的彈力，將閥瓣壓向排水口使疏水閥關(guān)閉。當凝結水溫度降低至設定溫度時(shí)，雙金屬片彎曲變形的程度減小，產(chǎn)生的熱作用力亦減小，雙金屬片作用力及由于進(jìn)、出口壓差作用于閥瓣上的壓力之和小于彈簧的彈力時(shí)，閥瓣被托起，出水口開(kāi)啟，疏水閥又處于排放狀態(tài)。低溫凝結水排出后，高溫凝結水再次進(jìn)入，疏水閥關(guān)閉，重復上述動(dòng)作。

1. 雙金屬片2. 心軸3. 支架4. 大彈簧5. 小彈簧6. 彈簧板7. 閥瓣8. 閥座

圖1 高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥

4、疏水閥的設計計算

　　(1) 雙金屬片位移( 撓度) 和熱推力

　　雙金屬片是用兩種溫度膨脹系數相差很大的金屬材料復合制成。當雙金屬片受熱時(shí)，會(huì )產(chǎn)生彎曲變形( 圖2) ，其位移( 撓度) f、機械彈力P 熱推力PT為

　　從式(3) 看出，熱推力PT與溫度差成直線(xiàn)關(guān)系，簡(jiǎn)單的把數片雙金屬片疊放在一起，總的熱推力會(huì )按雙金屬片疊加數成比例的增加。

圖2 雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形

　　(2) 調整間隙

　　調整間隙Fn是常壓常溫下閥瓣與閥座之間的距離。從常溫開(kāi)始，高溫介質(zhì)進(jìn)入時(shí)，一方面雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形消除常溫調整間隙，另一方面雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的熱推力PTn克服彈簧彈力( 指定變形量Fn下的工作負荷Pn，) ，將閥瓣部件推動(dòng)趨向閥座孔，趨向疏水閥關(guān)閉。任何同一溫差ΔTn同時(shí)具有兩種作用。介質(zhì)溫度升高時(shí)，一部分溫差ΔTn1使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形消除常溫調整間隙Fn，另一部分溫差ΔTn2使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生熱推力PTn。PTn要克服彈簧指定變形量Fn的工作負荷Pn，即需要PTn≥Pn

　　因此，在同一溫差ΔTn內彈簧能消除雙金屬片的過(guò)度膨脹( 因為需要部分溫差ΔTn2使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生熱推力PTn而不產(chǎn)生消除常溫調整間隙的變形) 。設PT2是臨界關(guān)閉狀態(tài)在溫差ΔT22下克服彈簧彈力Pn2需要的雙金屬片熱推力( PT2為設計給定值，與設計最高工作壓力相關(guān)) 。設Pn2是壓縮彈簧彈力，在任何蒸汽壓力與任何關(guān)閥溫度T2的臨界關(guān)閉狀態(tài)與已經(jīng)關(guān)閉狀態(tài)下的在彈簧指定變形量Fn2下的工作負荷( 關(guān)閉狀態(tài)下的彈簧指定變形量Fn2固定不可調，Pn2為定值不變，Pn2為設計給定值，與設計最高工作壓力相關(guān)) 。

　　設相應蒸汽壓力下的常溫調整間隙Fn是部分溫差ΔT21對應的一組n1片相向成對使用的雙金屬片產(chǎn)生的變形量，Fn為

　　式(6) 顯示，實(shí)際最高蒸汽壓力大于設計給定最高工作壓力PMO的η 倍，也表示在設計給定最高工作壓力時(shí)，允許比最高工作壓力下的設計開(kāi)閥溫度更高的凝結水溫度溫差使雙金屬片受熱彎曲變形產(chǎn)生熱推力PT，增加了閥瓣的開(kāi)閥溫度范圍，也能順利開(kāi)閥。

　　(3) 閥瓣的最小開(kāi)啟量

　　疏水閥最大排量時(shí)閥瓣的最小開(kāi)啟量h 為

　　常溫時(shí)圓環(huán)形雙金屬片為平直狀態(tài)，彈簧彈力Pn托起閥瓣部件，使閥座孔處于完全開(kāi)啟狀態(tài)，管路中的冷空氣及初期凝結水可迅速排出。此時(shí)閥瓣的最小開(kāi)啟量h( 閥瓣離開(kāi)閥座入口的距離) 足夠大，閥瓣處于閥座孔入口之上足夠高處。

5、疏水閥的結構特點(diǎn)

　　(1) 采用圓環(huán)形雙金屬片式正向密封型調溫結構。多對雙金屬片串聯(lián)安裝，每對相向成對使用。雙金屬片之間設有隔墊，使之保持固定的間隙，使各雙金屬片受熱均勻，對溫度變化的受熱變形靈敏性一致，帶動(dòng)疏水閥的啟閉件動(dòng)作。隔墊有良好的傳遞力作用，在受熱彎曲時(shí)，每對雙金屬片之間不產(chǎn)生摩擦，不造成圓環(huán)雙金屬片彎曲力的軸向分力的損失，滿(mǎn)足雙金屬元件的常溫調整間隙與圓柱螺旋壓縮彈簧工作行程互相匹配。正向密封型設計，打開(kāi)閥瓣的力為大壓縮彈簧的彈力，閥瓣關(guān)閉后介質(zhì)靜壓力作用在閥瓣上，使閥瓣密封力隨介質(zhì)壓力的增加而變大，密封可靠，無(wú)高溫凝結水及蒸汽漏損。

　　(2) 自動(dòng)中心定位自由浮動(dòng)關(guān)閉系統。閥瓣和閥座沒(méi)有部分的或單面的磨損現象，極大地減少了保持密封的關(guān)閉力，減少了內件的磨損。軟閉合結構，在相應蒸汽壓下的設計關(guān)閥溫度時(shí)，閥瓣部件的支架已接觸到閥座上的定位面，在相應蒸汽壓下的設計關(guān)閥溫度更高的高溫凝結水溫度使雙金屬片繼續彎曲變形，產(chǎn)生雙金屬片熱推力作用在閥座的定位面上而不作用在閥瓣上。

　　(3) 采用獨特的溫度調整結構。正向密封的圓環(huán)雙金屬片與雙彈簧結合，利用大、小雙彈簧彈力和閥座定位面的支承力平衡雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的熱推力，減少了高壓下密封面壓緊力，提高了關(guān)閉系統的穩定性。

　　(4) 疏水閥在工作壓差2.0 ～ 15.0MPa，排水溫度100 ～ 340℃范圍內可靠動(dòng)作，滿(mǎn)足高壓蒸汽疏水閥排除凝結水和不可凝氣體、阻止蒸汽泄漏的使用要求，并有利于凝結水回收利用。

　　(5) 閥瓣和閥座采用不銹鋼材料。閥瓣經(jīng)過(guò)熱處理后磨削加工，閥座調質(zhì)加工后對密封面進(jìn)行壓形，不同角度的錐面密封形成了完整的環(huán)形接觸，使關(guān)閥力集中在較窄的密封環(huán)線(xiàn)上，加強了密封性能。

　　(6) 閥體、閥蓋均采用鉻鉬鍛鋼制成，滿(mǎn)足高溫高壓下材質(zhì)性能的要求，整體結構緊湊、合理。該疏水閥可任意角度安裝，動(dòng)作靈敏、噪聲小，使用壽命長(cháng)久，維修簡(jiǎn)單。熱雙金屬片采用進(jìn)口材料能保證產(chǎn)品性能，在圓環(huán)雙金屬片式疏水閥中工作壓力高，公稱(chēng)壓力42. 0MPa，最高工作壓差15.0 MPa，具有較高的實(shí)用價(jià)值和可推廣性。

6、結語(yǔ)

　　高溫高壓圓環(huán)雙金屬片式疏水閥，滿(mǎn)足了蒸汽加熱系統集中疏水，降低了安裝成本，減少了疏水閥維護費用，以及石化行業(yè)擴能改造工程和高產(chǎn)能新項目對高參數蒸汽疏水閥的需求，提高了國產(chǎn)疏水閥的技術(shù)含量和性能參數。