服务热线：金属波纹补偿器阀门的设计
2018年08月25日
沧州五森管道有限公司
1 概述
金属波纹补偿器阀门的波纹补偿器下端焊接在阀杆上 , 以防止工艺流体浸蚀阀杆 , 另一端置于阀体和阀盖之间构成静密封。采用合适的材料 , 波纹补偿器阀可用于高温 500 ℃和高压 2 500 lb (42 MPa) 工况中。通常阀门行程为波纹补偿器自由长度的 15 % , 因而波纹补偿器占据很大的压力空间 , 制造工艺相对复杂 , 价格较贵。但与传统填料密封阀门相比 , 阀杆的密封 , 在外泄漏要求比较严格的场合 , 如有毒介质、强腐蚀介质和放射性介质以及热油等场合中应用 。
1 设计要求
波纹补偿器阀门 常用的结构形式为波纹补偿器截止阀和闸阀。波纹补偿器截止阀因为其启闭行程短 , 易于制造与之匹配的波纹补偿器而使用 。闸阀由于需要的行程较长 , 制造波纹补偿器的难度增大 , 使大口径波纹补偿器闸阀的使用受到限制。
211阀门寿命
波纹补偿器阀门的全开2全关2全开过程为一个循环
(一次) , 美国阀门和管件制造者标准协会 MSS SP2
117 规定波纹补偿器阀门寿命如表 1 。
在不同的工况条件下 , 波纹补偿器阀门的寿命要求也不一样 , 设计时应满足客户的具体要求。
表 1 波纹补偿器阀门寿命
闸阀截止阀
800 lb 及以下
≤2 in. (50 mm)20005000
21/ 2～4 in. (6215～100 mm)20005000
> 4 in. (100 mm)10002000
大于 800 lb
≤2 in. (50 mm)20002000
21/ 2～4 in. (6215～100mm)10002000
> 4 in. (100 mm)10001000
212 阀门试验
波纹补偿器阀门的试验分为型式试验和产品试验。
21211 型式试验
波纹补偿器阀门的关键部件是波纹补偿器。波纹补偿器的型式试验可以是波纹补偿器阀门 , 也可以是用连波纹补偿器的工装 , 但工装的载荷、行程、压力和间隙等应与实际的波纹补偿器阀门相同。型式试验前先完成 115 倍设计压力的强度试验。型式试验应从每一基本设计和材料中随机抽取至少 3 台试验 , 短寿命不低于表
1 规定。试验温度为常温 , 试验压力为常温时材料规定的工作压力。寿命试验结束后用 016 MPa 的空气试压 , 波纹补偿器及其连接接头进入水中 , 观察是否有气泡产生。或用氦气检漏仪器测试 , 其泄漏率不大于 10 - 6cm3/ s。
21212 产品试验
每台波纹补偿器阀门除正常的阀门试验外 , 还必须使用氦气检漏仪器测试 , 其泄漏率不大于 10 - 6
cm3/ s。
3 波纹补偿器的选择
波纹补偿器阀门设计时 , 合理选用波纹补偿器是决定阀门质量的关键。选用时应考虑波纹补偿器材料、阀门使用寿命、工作压力和工作温度等的影响。表 2～5 是国外某波纹补偿器厂家有关波纹补偿器选用的数据。
表 2 不同材料和温度的压力系数 kt
材料20 ℃ 100 ℃ 200 ℃ 300 ℃ 400 ℃ 500 ℃
0Cr18Ni12Mo Ti110001850177016901640162
1Cr18Ni9 Ti019201820173016501610158
表 3 与位移有关的温度系数 kω
材料20 ℃ 100 ℃ 200 ℃ 300 ℃ 400 ℃ 500 ℃
0Cr18Ni12Mo Ti110001900178016801620154 1Cr18Ni9 Ti110001900180017001650155
表 4 寿 命 系 数 kf
寿命次数1000200040001000025000 系数116114112110018
表 5 波纹补偿器数据( 基于 1Cr18 Ni9MoTi 材料,常温)
a) 波纹补偿器压力的选取假设一阀门工作温度
< 300 ℃, 工作压力为 114 MPa , 波纹补偿器材料要求1Cr18Ni9 Ti , 寿命次数 10 000 次 , 阀门行程为 20 mm , 阀杆直径为 20 mm。
阀门在此温度下的工作压力 p = 114 MPa , 小于 kt ×PN = 0165 ×215 = 1162 MPa , 可选用表 5中的波纹补偿器。
b) 波数的计算 n = l/ ( s0 ×kω ×kf ) = 20/ (2 ×0146 ×0170 ×110) = 31 ( 波 )
由此可见 , 波纹补偿器的选择与波纹补偿器材料、寿命、工作压力和工作温度有关 , 设计时只有根据不同的工况设计 , 才能保证波纹补偿器 的工作和预期的使用寿命。
4 结构
波纹补偿器的下部连接采用过渡接头与阀杆焊接 , 上部连接采用法兰或过渡接头与阀盖连接 , 容易泄漏的地方是波纹补偿器和接头的连接处和法兰连接处或上部接头与阀盖的焊接处。波纹补偿器与接头的焊接一般由波纹补偿器厂家来完成。由于波纹补偿器厂家的焊接设备和焊接技术比较强 , 可以保证质量。法兰连接处采用上下石墨垫或缠绕垫来保证密封。下部接头与阀杆的焊接和上部接头与阀盖的焊接较波纹补偿器与接头的焊接容易保证焊接质量 , 但应保证焊透 , 以保证密封。
图 1 是波纹补偿器阀门的波纹补偿器组件常见的 4 种结构。
图 1 (a) 结构用于截止阀, 波纹补偿器通过下部接头与阀杆连接, 上部通过法兰与阀盖连接。图 1
(b) 结构用于截止阀, 波纹补偿器通过下部接头与阀杆连接, 上部通过碗形罩与阀盖连接, 此结构阀门的总高度比图 1 (a) 结构要低。图 1 (c) 结构用于闸阀, 闸阀的行程较截止阀长, 波纹补偿器长度比截止阀长很多, 单只波纹补偿器长度不要超过 400 mm , 如果太长易引起波纹补偿器失稳, 导致波纹补偿器损坏。解决此问题一般采用波纹补偿器分段, 中间加连接接头, 保证波纹补偿器的 使用。图 1 (d) 结构可用于波纹补偿器闸阀或截止阀, 波纹补偿器通过下部接头与阀杆连接, 上部通过接头与阀盖焊接, 此种结构可解决上部法兰连接垫片密封潜在泄漏的问题, 但不易拆卸。4 种结构各有 点, 设计时应根据实际情况选用。
在阀盖上应设置填料密封 , 以防止波纹补偿器损坏时介质外漏。
5 设计注意问题
a) 波纹补偿器与阀杆的间隙 , 一般取 1～2 mm。
b) 波纹补偿器不能承受扭矩 , 设计时应保证波纹补偿器只拉伸和压缩。
c) 波纹补偿器阀门在开启或关闭状态时 , 波纹补偿器分别处于压缩和拉伸状态。
d) 波纹补偿器应有承受压力所必须的 小迭层厚度 , 并要求进行试验。
e) 注意材料的相容性 , 实践证明 inconel 合金是波纹补偿器耐高温高压的较好材料。
f) 波纹补偿器的焊接质量应有工艺评定和焊接记录。
g) 作为节流用的波纹补偿器阀应考虑流速对波纹补偿器的影响。
波纹补偿器具有一定的刚度 , 应考虑波纹补偿器拉伸或压缩时引起的操作力矩的增加。
4 结语
波纹补偿器阀门工艺复杂 , 尺寸较大 , 价格较高 , 但在外泄漏要求严格的场合有着常规阀门不可替代的功能。为保证波纹补偿器阀门的预期寿命 , 波纹补偿器阀门设计和制造时应严格按有关规定和工艺参数的要求 , 同时也必须与波纹补偿器制造商很好的沟通 , 并且每一台阀门须经严格检验 , 才能生产出 的波纹补偿器阀门。
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