带热补偿和弹性补偿密封面的高温高压弹簧安全阀的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种阀门结构，具体涉及一种电站用高温高压弹簧安全阀的产品结构。
【背景技术】
[0002]高温高压弹簧安全阀是火力发电机组配套阀门中的关键阀门之一，在火电机组的过热汽系统、再热汽系统以及汽包、除氧器、高低加汽侧和水侧等部位，都安装有数量不等的安全阀。按照相关的锅炉及压力容器安全规范的要求，亚临界、超临界和超超临界等大容量的电站机组应配用直接作用式的全启式或全量型弹簧安全阀；国内早期投产的高压和超高压机组按照前苏联火电机组的配套习惯多采用脉冲式安全阀，即依靠小口径的冲量阀启跳后带动主安全阀动作，随着机组维修和机组的改造升级许多原来安装脉冲式安全阀的机组也逐步改为安装全启式或全量型的弹簧式安全阀。高温高压弹簧安全阀作为电站机组的重要的安全泄压阀门，对保证机组的安全可靠运行有着至关重要的影响。
[0003]电站用高温高压弹簧安全阀由于下述几个方面的原因，其阀瓣密封面的结构往往会采用带有热补偿功能和弹性补偿功能的密封面结构而较少采用通常的整体式的密封面结构:1、阀门在工作状态时，阀瓣密封面的内侧为主蒸汽，温度较高(540°C?610°C )，而密封面的外侧因与大气相通因而温度会低于阀瓣密封面的内侧，内外侧温差较大易导致密封面部位产生变形、密封面的平面度改变而影响阀门的密封。2、当密封面某处出现泄漏时，泄漏出的介质因体积急剧膨胀吸热会使密封面泄漏点附近的温度下降，不均衡的温度变化又会导致密封面产生不均匀变形从而加剧泄漏。3、阀门进入排汽状态时以及排汽结束阀瓣关闭后，阀瓣下部都会在短时间内产生较显著的温度改变和温度分布的变化，也易导致密封面产生变形。4、高温高压蒸汽由于其水分子具有很高的平均动能和内能因而具有较强的逸出能力，同时安全阀的密封面在工作状态时又需要以较小的密封比压来保证密封，这就要求高温高压安全阀的密封面需要采用不同于常规安全阀的密封面结构设计以使密封面具有能够满足密封需要的较强的密封能力；此外更为重要的一点是，当介质压力接近阀门的整定压力(启跳压力)时，阀瓣、阀座的密封力是很小的，分摊在密封面圆环面积上的实际比压要比保证密封的必需密封比压小很多，因而此时如果阀瓣密封面是常规的整体刚性密封面或密封面虽带有补偿设计但补偿结构的结构和尺寸设计不恰当则无法阻止介质外泄而会产生较为明显的前泄现象。
[0004]高温高压的蒸汽安全阀产品在蒸汽排放时容易有蒸汽从阀瓣上端的零件配合间隙处逸出，当阀门有一定泄漏时也会有蒸汽逸出。如果逸出的蒸汽较多且时间又较长的话，安全阀的弹簧容易受高温影响而使弹簧的刚度有所降低，使阀门密封面在关闭状态时的压紧比压下降而产生泄漏或进一步加剧泄漏。同时，高温蒸汽的逸出也会给生产环境带来一定影响。
[0005]为了改善阀门在高温高压工况时的密封性能，现行的高温高压弹簧安全阀产品的阀瓣密封面多采用如图3所示的带有一定的热补偿和弹性补偿能力的“柔性阀瓣”结构，典型产品如美国德莱赛-康索里德(Dresser-Consolidated)和克罗斯比(Crosby)等公司的全启式高温高压弹簧安全阀产品。如图1和图2所示为采用了这种柔性阀瓣结构的美国德莱赛-康索里德公司的全启式弹簧安全阀的产品结构示意图，其柔性阀瓣结构将系统压力导入阀瓣密封面背侧的环形凹槽并作用在密封面背侧的环形斜面上，由于密封面内侧舌部具有一定的弹性，随着运行压力的升高阀瓣密封面内侧舌部被系统压力向下推压产生微小变形，与喷嘴密封面呈接近线接触状态使密封面接触比压升高，从而使阀门的前泄点推迟。阀门在正常工作状态时，密封面内侧舌部在介质压力作用下具有一定的弹性补偿作用也有助于改善阀门的密封状况；此外，阀瓣密封面背侧的环形凹槽增加了密封面内侧与高温介质的接触面积，也能够使更多的热量传递到密封面外侧，使密封面内外侧的温差减小，也有助于减小密封面因温差而产生的不均匀变形。
[0006]上述的这种柔性阀瓣结构从产品的实际使用情况来看，其弹性补偿和热补偿功能在一定程度上改善了阀门密封面的密封效果，但由于受结构和尺寸的制约-密封面内侧舌部尺寸较小、密封面背侧环形空间与密封面外侧尚有一段间距，因而其弹性补偿和热补偿功能所能发挥的作用也受到限制，并不能完全满足大容量高参数的火电机组尤其是超(超)临界火电机组在苛刻工况下的密封和可靠性要求。此外，产品在实际使用中也发现，机械强度较为薄弱的密封面内侧舌部因为疲劳强度不足和回座冲击的影响而出现裂纹和断裂的现象也并不鲜见。
[0007]针对阀门在蒸汽排放时蒸汽从阀瓣上端的零件配合间隙处逸出的问题，德莱赛-康索里德公司的高温高压弹簧安全阀产品在背压排汽室的上端设置了滑动阻漏环结构(参见图4和图1)，通过与背压调节套外圆配合、处于浮动状态的滑动阻漏环来减少蒸汽向上逸出。该滑动阻漏环结构既减少了向阀门外逸出的蒸汽，同时也能够避免产生由于零件的高温应力释放、阀杆受压以及零件加工等原因导致相关零件存在同心度偏差时产生卡涩现象而影响阀门准确启跳和回座的问题。由于滑动阻漏环与相邻零件之间包括与背压调节套之间仍存在一定的配合间隙，并不能完全阻断蒸汽向外逸出，因而这种结构并未能很好地解决高温蒸汽逸出导致弹簧刚度有所降低而使阀门出现泄漏的问题以及高温蒸汽逸出给生产环境带来影响的问题。
[0008]相对于前述的柔性阀瓣结构，日本冈野阀门公司的全量型安全阀(参见图5)所设置的具有弹性补偿和热补偿功能的阀瓣具有相对更好的补偿能力和改善密封的效果。该结构的阀瓣密封面背侧的弹性舌部具有向外侧更深入和空间更大的环形凹槽，因而其弹性补偿和热补偿能力更强，同时在阀瓣密封面背侧的环形斜面的上侧并设置有可控制密封面弹性舌部弯曲变形量的止退斜面，以保证密封面结构的使用可靠性。但该阀瓣结构也存在一些不足之处，使阀瓣的密封结构并不能充分发挥其应有的作用:首先是阀瓣密封面弹性舌部仅锥尖端处较薄、有相对好一些的弹性变形能力，而锥部随锥角往上则刚性迅速变大、几乎不能提供所需的弹性弯曲变形，且密封面部位经过淬火硬化处理，仅依靠锥尖端提供弹性弯曲变形补偿的话，在承受回座冲击时其可靠性存在一定问题；其次，阀瓣密封面弹性舌上侧的空腔处未设置向内侧的通孔，一旦弹性变形间隙处因受压闭合并达到较好的密封状态时该空腔处将无高温蒸汽能够进入，这将会导致阀瓣密封面处的热补偿功能基本丧失；此外，阀瓣密封面弹性舌处与止退斜面之间设置的弹性变形间隙，该间隙在阀瓣开启排放蒸汽时处于张开状态，间隙的开口迎向介质流入方向，存在于排出介质中的小的杂质颗粒(如小的氧化皮、焊点焊渣和其它杂质)很容易顺着介质排放的流动方向而嵌入弹性变形间隙中从而会使阀瓣密封面的密封状况受到影响。
[0009]此外，上述的全量型安全阀产品结构还存在如下的不足之处:1、阀门启跳时蒸汽进入阀瓣上侧形成背压的蒸汽流入通道为阀瓣与套筒的配合间隙及套筒与导向套的配合间隙处，因而所述的配合间隙设计时需要考虑蒸汽向上的通流能力能够满足启跳和回座时的背压调节的需要；当配合间隙较大时，一方面高温高压的蒸汽排放时由于蒸汽能量的转化会在排放时产生较剧烈的振动和噪音，阀瓣及相邻零件的较大的配合间隙会使排放时的振动和噪音增强；另一方面，在靠近喷嘴密封面上侧的阀瓣及相邻零件的配合间隙偏大的情况下，在阀瓣回座、密封面贴合的过程中容易出现因阀瓣偏歪、调正的过程而导致产生密封面接触状况不佳或阀杆作用力不居中等复杂状况，使阀门的密封可靠性降低。2、为了保证排放时向上逸出的蒸汽不会对弹簧的性能带来影响，阀门的支架被设计为全封闭的弹簧罩结构，尽管设置了全封闭的弹簧罩后阀门排汽时逸出的蒸汽基本不会对弹簧带来影响，但阀门在正常工作状态时亦会有一定的热量向上传导，而弹簧处的全封闭结构却难以使该部位得到有效的散热，这对于弹簧稳定维持刚度、保证阀门密封也是极为不利的。因此，最有效的方式是在弹簧部位采用开放式的结构、充分保证散热的同时，在弹簧座下侧采取能够完全杜绝蒸汽流出的新的防蒸汽逸出结构。此外，现行的高温高压弹簧安全阀产品也较多地设计为以两根立柱向上连接上部零件的结构(参见图2所示)，这种结构形式由于加工工艺的原因，要保证阀门上下部相关表面达到较高的同轴度精度有一定难度，由于安全阀相关零件表面的同轴度状况对阀门的性能和可靠性具有较大的影响，因而采用这种立柱式结构是不利于改善阀门的性能和可靠性的。
[0010]高温工况的安全阀在确定喷嘴材料时，需要考虑两个方面的因素:一是如果喷嘴和下调节环的材料不一样，由于材料线胀系数的差异，在高温状态时喷嘴和下调节环的螺纹间隙会有变化，如果螺纹间隙增大(如喷嘴采用F91、F92材料而调节环采用F316材料)则排汽时可能会导致下调节环振动增强而容易使螺纹产生损伤，因此高温高压安全阀的喷嘴和调节环应选择同种材料，较好的选择是都采用奥氏体不锈钢材料(螺纹处不会锈蚀或锈死而影响调节)；二是高温高压弹簧安全阀在蒸汽排放时，喷嘴喉口处的蒸汽会达到很高的流速，喷嘴材料应选择抗冲蚀性能较好的材料，并且当有氧化锈蚀产物因冲刷而被带到密封面处时也可能会对阀门的密封带来影响，为满足这些要求喷嘴材料也应选择奥氏体不锈钢材料。现行的高温高压弹簧安全阀产品的喷嘴与阀体的连接固定结构有两种:一种结构是将带有阀门安装对焊端的整体喷嘴与阀体在阀体的下端外侧进行焊接连接(如图5所示)，另一种结构是阀门安装对焊端设置在阀体下端、喷嘴在阀体下支管内侧以螺纹+焊缝的方式连接固定(如图1所示)；奥氏体不锈钢材料的喷嘴在与阀体进行焊接时，如果焊接时间较长、热影响区温度较高，容易造成喷嘴的奥氏体不锈钢材料固溶体晶粒内的Cr元素析出，沿晶界生成很脆的碳化铬层，在热疲劳应力以及残余应力的作用下，存在喷嘴焊缝附近开裂的可能，给阀门的使用带来较大的安全隐患；尤其