主蒸汽隔離工況下的壓力密封閥選型(圖文)

主蒸汽隔離工況下的壓力密封閥選型

前言

在大口徑（4 英寸及以上）、高壓/高溫壓力密封閘閥、球閥和止回閥領域，從設計和應用的角度來看，多少東西一直保持不變。 雖然金屬閥座球閥在許多應用中已經取代了壓力密封閘閥和截止閥，但在聯合循環電廠和其他類似應用中，電廠設計人員仍然會選擇壓力密封、平行閘閥來進行主蒸汽隔離（停止） 。在需要蒸汽節流的地方，會指定使用壓力密封球閥；在高能量管道系統中需要反向流動保護的地方，會安裝壓力密封止回閥。

設計優勢 ：這些閥門利用系統 “壓力 ”來 “密封 ”環境壓力。對于標準的 150-600#螺栓連接閘閥/球閥/止回閥的閥蓋，其閥體與閥蓋的法蘭連接處由墊片密封；隨著系統壓力的增加，泄漏的可能性也會增加。在壓力密封設計中，隨著系統壓力的增加，泄漏的可能性也會降低。除此優點外，由于閥體和閥蓋法蘭以及連接螺母和螺栓的總重量增加，大多數壓力密封設計的重量都低于螺栓連接的閥蓋設計。

有哪些變化？

盡管許多設計考慮因素保持不變，但有幾項進步推動了壓力密封閥的變化。

1、 壓力密封墊片可有效地將系統壓力與大氣隔離 。雖然這種壓力密封墊片最初是由軟鋼制成并鍍銀以達到最佳密封效果，但從上世紀 90年代初開始，這種密封墊片已發展到采用石墨墊片的設計，并在前緣加蓋以防止擠出。這種改進提供了更寬松的密封。

2、發電廠的設計者們不斷挑戰壓力/溫度極限，試圖從各自的設計平臺中獲得每兆瓦的發電量。材料制造商的任務就是 利用能夠 “承受高溫 ”的特殊合金 來實現這一目標。蠕變強度增強鐵素體 (CSEF) 材料在20世紀90年代聯合循環熱潮中越來越受歡迎。在化學成分、最佳預熱、中間溫度和PWHT期間的最高浸泡溫度方面，人們對91型材料（鍛造、鑄造和管材形式）的冶金和可焊性有了更多了解。許多公用事業公司制定了獨特的材料規格，并對這種材料的焊接施加了限制。美國機械工程師學會（ASME）成立了一個工作組來研究這些問題，并最終修改了 SA182-F91 材料規范。91型材料的焊接和應力消除仍然是發電廠建設中的一個重要考慮因素。

3、 高壓/高溫應用中使用的許多閥門都在閥座表面焊接了鈷基高溫合金材料 (CoCr-A)，以延長閥門的使用壽命和密封完整性 。本世紀初，發現了一種故障模式，即硬面材料會從基體金屬上剝落。據報告，在某些情況下，整個部分會從基體金屬上脫落。閥門制造商和電力研究所 (EPRI) 等組織啟動了研究，以確定根本原因和防止再次發生的措施。EPRI已發布報告，指出了這一現象并提出了解決方案。

4、本世紀初以前，許多壓力密封閥制造商使用鑄件制造閥體和閥蓋。多年來，鍛件相對于鑄件的優勢，尤其是在高壓/高溫應用中的優勢，加上鍛造能力和技術的改進，促使制造商開發鍛造壓力密封閥，以取代之前的鑄件。

5、當然，制造技術也在不斷改進壓力密封閥的加工和焊接。數控機床的工具和控制方面的進步使運行時間更快，公差要求更嚴格。先進波形焊接設備的開發提高了填充金屬沉積率和整體焊接質量。

這些進步共同為制造商提供了工具，使他們能夠更快地制造出質量更好的壓力密封閥。無論是在 發電廠、煉油廠、化工廠、航空母艦還是紙漿和造紙廠 ，安裝在高壓/高溫應用場合的壓力密封閥都在繼續為其所有者提供優質服務。

由于設計人員不斷提高鍋爐、熱力設備和管道系統的壓力/溫度范圍， 壓力密封閥依靠相當簡單的設計原理，已證明其有能力處理要求越來越高的化石燃料和聯合循環蒸汽隔離應用。

壓力密封閥的尺寸范圍通常為2英寸～24英寸，壓力等級為 ASME B16.34 #600～#4500 ，但有些制造商也能滿足特殊應用中對更大直徑和更高額定值的需求。

隨著材料技術的進步，當今的壓力密封閥有 碳鋼（A105鍛造和Gr. WCB鑄造）、合金（F22鍛造和 Gr.WC9鑄造；F11鍛造和Gr.WC6鑄造）、奧氏體不銹鋼（F316鍛造和Gr.CF8M鑄造 ；對于1000°F以上的溫度，F316H鍛造和碳含量大于0.04%的合適奧氏體鑄造牌號）以及其他一些合金/無銹/鑄造牌號。CF8M 鑄造；對于華氏1000度以上的溫度，F316H鍛造和碳含量大于0.04%的合適奧氏體鑄造牌號），以及許多其他合金/無銹/特殊材料。大多數制造商還提供F91鍛造和/或C12A 鑄造合金（9Cr-1MoV）材料，用于上一輪聯合循環電廠建設中的高溫（如主蒸汽）管道系統以及較新的燃煤超臨界和超超臨界機組。

壓力密封的設計理念可追溯到20世紀中期，當時，面對不斷增加的壓力和溫度（主要是在電力應用中），閥門制造商開始設計替代傳統螺栓閥帽密封閥體/閥帽接頭的方法。除了提供更高水平的壓力邊界密封完整性外，許多壓力密封閥門設計的重量也大大低于同類的螺栓閥蓋閥門 (BBV)。

螺栓帽與壓力密封的對比

為了更好地理解壓力密封的設計理念，讓我們對比一下BBV和壓力密封之間閥體到閥蓋的密封機制。圖1描述了典型的BBV。閥體法蘭和閥蓋法蘭通過螺柱和螺母連接，并使用適當設計/材料的墊片。

圖1

螺柱/螺母/螺栓按照制造商規定的模式以規定扭矩擰緊，以達到最佳密封效果。但是，隨著系統壓力的增加，通過閥體/閥網接頭泄漏的可能性也會增加。

現在讓我們來看看圖 2 中詳述的壓力密封接頭。請注意各自閥體/閥網接頭配置的不同。大多數壓力密封設計都包含 “閥蓋提升螺栓”，用于將閥蓋拉起并與壓力密封墊密封。這反過來又在墊片和閥體內徑 (I.D.) 之間形成密封，分段式止推環可保持負載。壓力密封設計的優點在于，隨著系統壓力的增加，閥蓋上的負荷也會增加，相應地，壓力密封墊片上的負荷也會增加。因此，在壓力密封閥門中，隨著系統壓力的增加，通過閥體/閥蓋接頭發生泄漏的可能性也會降低。

圖2

與BBV相比，這種設計方法在主蒸汽、給水、汽輪機旁路和其他要求閥門能夠應對高壓和高溫應用固有挑戰的發電廠系統中具有明顯優勢。不過，由于壓力密封閥依賴系統壓力來幫助密封，因此最好應用于最低穩定工作壓力超過 500 psi 的系統中。

但多年來，隨著工作壓力/溫度的增加，以及調峰設備的出現，這種有助于密封的瞬態系統壓力也對壓力密封接頭的完整性造成了破壞。

壓力密封墊片

密封壓力密封閥門的主要部件之一是墊圈本身。早期的壓力密封墊片是用鐵或軟鋼制造的。這些墊片后來被鍍銀，以利用較軟的電鍍材料提供更緊密密封的能力。由于在閥門水壓試驗過程中施加了壓力，閥蓋和墊片之間產生了“套”（或墊片輪廓變形）。由于閥蓋收緊螺栓和壓力密封接頭具有固有的彈性，當系統壓力增大/減小時，閥蓋有可能移動并破壞“固定”，從而導致閥體/閥蓋接頭泄漏。

在系統壓力和溫度升高后，采用“熱擰”閥蓋收線螺栓的方法可以有效地解決這一問題。但這需要業主/用戶維護人員在工廠啟動后進行。如果不堅持這種做法，閥體/閥蓋連接處就有可能發生泄漏，這可能會損壞壓力密封墊、閥蓋和/或閥體的內徑，同時蒸汽泄漏也會給設備運行帶來更多的問題和效率低下的問題。

圖3

因此，閥門設計人員采取了多項措施來解決這一問題。圖3顯示了活負載閥蓋收緊螺栓的組合（從而保持墊片上的恒定負載，最大限度地減少泄漏的可能性），以及用壓模成型石墨墊片取代鐵/軟鋼鍍銀壓力密封墊片。圖3所示的墊圈設計可以安裝在以前使用傳統型墊圈的壓力密封閥門上。圖4顯示了實現相同最終結果的另一種設計方法。

石墨墊片的出現進一步鞏固了壓力密封閥在大多數應用中的可靠性和性能，甚至可用于日常啟動/停止操作循環。盡管許多制造商仍然建議使用 “熱扭矩”，但如果不這樣做，泄漏的可能性就會大大降低。

與許多發電廠閥門一樣，壓力密封閥門的閥座表面承受著相對較高的閥座載荷。閥座完整性的保持取決于對部件的嚴格加工公差、提供必要扭矩的方法、齒輪或驅動裝置的開啟/關閉功能，以及為閥座表面選擇/應用適當的材料。鈷、鎳和鐵基硬面合金可用于優化楔塊/圓盤和座圈座面的耐磨性。最常用的是 CoCr-A（如 Stellite）材料。使用這些材料時，這些材料的應用有多種工藝，包括保護金屬弧、氣體金屬弧、氣體鎢弧和等離子（轉移）弧。許多壓力密封截止閥都設計有整體硬面閥座，而閘閥和止回閥通常都有焊接在閥體上的硬面閥座環。

閥門術語

如果您與閥門打交道的時間較長，您可能會注意到閥門制造商在業務術語和用語方面并沒有太多創造性。例如，“螺栓連接閥蓋閥門”。閥體用螺栓固定在閥蓋上，以保持系統的完整性。對于“壓力密封閥”，系統壓力有助于密封機制。對于“止動/止回閥”，當閥桿處于關閉位置時，流量被機械地阻止，但當處于打開位置時，閥芯可自由地起作用，以檢查流量的逆轉。這一原則同樣適用于其他設計術語以及閥門類型及其組件。

壓力密封閘閥基本上有兩種類型：

圖4

1、柔性楔形閘閥（圖 4）包含一個柔性的楔形關閉元件，依靠手輪或電機操作產生的扭矩，將其推入閥座，從而實現密封。撓性楔形閘閥之所以被稱為 “扭矩座式”，是因為它依靠外加扭矩提供密封力，以及系統壓力的一些輔助作用。這種靈活性來自于楔形的設計，即通過鋸切或成型/制造過程中固有的其他工藝，圍繞中心轂同心地去除材料。靈活性的提高可實現。

a） 從座環中插入和拔出楔塊所需的扭矩更小

b） 具有更大的彈性，以應對熱膨脹，并根據上游壓力找到最佳的下游座圈表面

c） 在管道負載和/或地震或各種潛在的工廠運行事件引起的管道系統移動過程中，楔塊脫離閥座的可能性更小。

圖5

2. 平行閘閥（圖5）的特點是兩個圓盤固定在一個保持架組件中，其閥座表面與閥座環平行。當閥門循環時，這些閥座相互滑動。兩個圓盤通過彈簧分開。平行閘閥可以說是定位閥，因為當閥盤和閥座環的配合面處于最接近的位置時，就能達到最佳的密封效果（也就是說，一旦配合面接合好，再怎么轉動手輪也不會達到更好的密封效果）。

還有其他設計，包括“兩件式”和“雙盤式”楔形類型，這些設計已被證明是有效的。

使用哪種閥門？

為什么要選擇其中一種？平行滑閥幾乎完全依靠上游壓力來影響下游閥座的密封。因此，在低壓條件下，閥座可能會發生泄漏。此外，閥座表面的滑動作用更容易造成磨損，如果閥座表面之間夾有微粒，則更容易造成損壞。由于閥座的寬度和方向，平行滑閥比其撓性楔形閥更難維護。但在將所有平行滑閥更換為撓性楔閘閥之前，請繼續閱讀。

由于柔性楔式閘閥需要扭矩來啟動密封面（然后 “松開楔子”），因此需要能夠提供相對較大扭矩（與平行滑閥相比）的執行機構，通常成本較高。此外還有熱粘結問題。

圖6

在工作溫度接近 800°F或更高的情況下，楔式閘閥有可能在各種模式下發生粘結（例如，暴露在高工作溫度下，關閉，然后允許冷卻；或者像啟動時常見的那樣，從環境溫度開始，暴露在快速的熱瞬態下，然后打開）。這種現象取決于各種設計和運行條件，但可以通過采用運行程序來緩解，該程序可驗證上游和下游孔之間的熱平衡（delta T為200°F或更低）。連接閥門上游和下游孔的旁路（圖 6）可以促進這種熱平衡。必須注意在閥門本身而不是閥門以外的連接管道上驗證上游與下游的熱平衡。新一代聯合循環電廠的啟動程序相對較快（與燃煤電廠相比），特別容易受到熱綁定的影響。不過，防止熱綁定的最有效方法是選擇平行滑閥設計。

在平行閘閥設計中（圖 5），兩個圓盤通過彈簧在保持架中分開。該彈簧允許兩個圓盤有足夠的行程來克服熱膨脹的影響。

熱綁定并不是壓力密封閥門的通病。但是，由于壓力密封件經常用于高溫服務，因此在解決這個問題時要特別小心。

其他操作問題

此外，壓力密封閥的用戶還必須解決兩個相關的操作問題：中心腔過壓 (CCOP) 和壓力鎖定。與熱粘結一樣，這些現象也會導致閥門無法沖程。請注意，熱粘結、CCOP 和壓力鎖定是三個不同的問題，必須在項目的設計/采購階段仔細評估和解決其可能性。ASME B16.34第2.3.3段規定，業主有責任確定 CCOP 和壓力鎖定的可能性，并提供防止CCOP和壓力鎖定的方法。

雙座閥（楔式閘門、平行閘閥、球閥等）的關閉元件可能會因中心腔內壓力增大（CCOP）或因管路壓力降低而導致關閉閥的上游、下游或兩個閥座的壓差增大（壓力鎖定）而被鎖定。在 CCOP 的情況下（圖 8），當引入熱量（例如在啟動過程中）時，在環境溫度下被截留在中心腔中的流體會膨脹。這將導致流體膨脹，并且根據流體類型和溫度的不同，可能會達到一個壓力，在此壓力下，沒有足夠的扭矩（手動或執行）來克服壓力并打開閥門。

壓力鎖定（圖 7）發生在雙座閥中，即管線壓力在閥座的上游、下游或兩側下降（作為工廠運行或事故的函數），從而產生足夠的壓差，使閥門無法打開。

與熱綁定一樣，有幾種方法可以防止CCOP和壓力鎖定。其中包括以下方法：

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

1、泄壓孔穿過閥體或楔塊/圓盤半部的 “壓力側 ”鉆入閥門的中心腔，從而釋放該壓力側的過壓。

壓力側的過壓。這實際上使閥門具有單向密封能力（圖 9）。

2、從中心腔鉆孔并攻絲至閥門 “壓力側 ”孔的壓力均衡管（圖 10）。當包括旁通閥時，可保持雙向密封。請記住，當旁通閥關閉時，中心腔的壓力不會被釋放。

3、泄壓閥與鉆孔并攻入閥門中心孔的管道相連。

泄壓閥與鉆入閥門中心腔的管道相連。這種方法可保持閥門的雙向密封能力（圖 11）。

4、排水閥與鉆入閥門中心空腔的管道相連（圖 12）。請記住，當排水閥關閉時，中心腔的壓力并未釋放。

圖12

5、使用一個或多個旁通閥和連接閥門中心腔與旁通管道的平衡管道進行旁通。根據旁通閥的數量和配置，可保持雙向密封（圖6）。

6、專有旁通閥，可隨系統壓力改變密封方向。可保持雙向密封（圖13）。

圖13

壓力密封截止閥

壓力密封截止閥適用于需要一定程度流量控制（或節流）的應用場合（例如，在設備啟動或關閉模式下）。它們非常適合發電廠的隔離應用（如主蒸汽隔離、給水加熱器隔離、鍋爐/節能器隔離等）。壓力密封球閥的材料類型、驅動方式（手動、齒輪驅動、電機驅動、氣動、電液驅動等）、閥芯組合和材料以及 ASME 壓力等級與閘閥相同。根據所需流量(Cv) 的不同，可提供閥桿垂直型（圖14）或傾斜型（Y 型）（圖15）。壓力密封球閥的圓盤可以機械方式固定在閥桿上，因此在開啟位置時，可以自由流動。

不過，也可以提供閥桿在圓盤袋中自由浮動的產品（見插圖，圖15）。在這種方位（停止/止回）下，當閥門處于打開位置時，閥瓣會在流量發生逆轉時關閉，因此除了基本的停止（或隔離）功能外，還具有止回閥功能。

圖15

可以對截止閥的圓盤輪廓進行修改，以便更精細地控制工作條件下的流量 （圖 16）。這在節流應用中特別有用，因為在這種應用中，系統需要依靠流量控制來優化性能。可在閥門頂部安裝刻度來測量閥門行程，并將其與流量曲線相關聯，以精確控制通過閥門的實際流量。如果需要更嚴格的控制以及需要在開度小于20%時保持穩定的節流，則推薦使用控制閥，其中包含針對應用設計的閥門操作系統。通常會在無壓側加一個平衡管，以幫助平衡閥門增加行程和控制湍流。

圖16

壓力密封截止閥不受CCOP、壓力鎖定或熱綁定的影響；但是，必須評估高溫（如熱膨脹）對部件（閥桿、閥座等）的影響，尤其是當閥門需要驅動時。

壓力密封止回閥

壓力密封止回閥的主要作用是防止系統流量逆轉，從而保護管道和未設計用于處理這種情況的部件（泵、儀器等）。止回閥的材料、壓力等級和方向（垂直和傾斜）與壓力密封截止閥相同。單向閥的選擇通常基于多個變量，包括系統流量特性（如Cv、流速）、介質（如顆粒類型和大小/濃度）以及設備運行特性。

壓力密封止回閥可按以下配置提供：

1、 旋啟式止回閥 （圖17）。壓力密封旋啟式止回閥通常與閘式隔離閥結合使用，以提供反向流動保護。其相對較高的Cv值（與活塞止回閥相比）、簡單的操作和相對容易的維護使其深受管道系統設計人員的歡迎。

圖17

2、 斜盤止回閥 （圖18）。由于鉸鏈銷與圓盤中心線之間的力矩較短（與擺動止回閥相比），傾斜圓盤止回閥可以對流量反向做出更快的反應，從而為上游設備和介質 “錘擊”隱患提供更大的安全系數。購買前請注意這兩種常見止回閥在成本和Cv方面的差異。

圖18

3、 活塞止回閥 （圖19）。壓力密封活塞止回閥經常與截止型隔離閥一起使用，以提供反向流動保護。這些閥門有時會配備彈簧，以幫助關閉和/或平衡管道，從而提高整體性能。

圖19

總結

盡管在概念上與前輩相似，但如今的壓力密封閥門已經進化，以應對更廣泛的應用場景，同時提供更高層次的性能。閥門制造商持續優化影響壓力密封閥門性能的各種設計要素，旨在為終端用戶創造更大價值，從而確保這些閥門在未來發電廠運營中將繼續扮演關鍵角色。