金属密封球阀能否为蒸汽发电厂的关键应用提供有效的长期、经济的解决方案？

过去的 20 年中，机械加工、工具、测量和涂层技术的进步催生了为电力行业提供可靠密封解决方案的球阀设计。这些新的“电厂球阀”可以承受温度和压力，使其成为该行业的可行解决方案。


历史

在这些新设计之前，创建真正匹配的球形密封表面受到限制，因此一个表面——球——通常是金属和高度抛光的。第二个密封面——阀座——通常是含氟聚合物或弹性化合物。这种组合在较低的温度和压力下工作良好，至今仍被广泛使用。但是，它不适用于蒸汽发电站中的极端情况。

阀塞和阀座的密封区域是匹配的锥形表面，非常适用于排气、排放和连续过程服务中的高压、温度和速度。阀门的操作直观：如果阀杆处于“向上”位置，则阀门打开；如果阀杆处于“向下”位置，则阀门关闭。


金属密封球阀

具有特殊工具的计算机数控 (CNC) 机器现在可以生产几乎完美的球形金属对金属密封表面 - 球和阀座的凹面和凸面 - 具有几乎无限的重复性。高素质和专业的涂层承包商还可以提供多种火焰喷涂硬质合金涂层化合物，由 CNC 机器人机器在实验室条件下精确应用。这些涂层的韧性和硬度远远超过立式阀杆截止阀中传统使用的钴基焊接堆焊层，最终涂层表面准确反映了下层零件的加工轮廓。这些技术导致了电厂球阀的出现，它能够承受超过 1050° F (566° C) 的温度和超过 3000 psig 的压力。


建筑特点

许多电厂球阀制造商正在用壁厚远远超过明杆阀的壁厚锻造棒料加工阀体。有几个在 1.5 英寸和更小尺寸的所有压力等级上使用相同的阀体设计——因此 ASME 1500 级阀门实际上可能具有 ASME 4500 级阀体。这种标准化减少了原材料库存，简化了加工，缩短了生产时间，并允许几乎无限的合金材料选择。使用受到原始设备制造商 (OEM) 标签和相关美国机械工程师协会 (ASME) 和美国国家标准协会 (ANSI) 标准上规定的压力和温度额定值的限制。

---


手术

他们只有一个座位位于球的下游。该下游阀座、上游轴承环、锥形负载弹簧和滚珠是一组匹配的组件，非常精确地安装到体腔中，因此在组装时，最终堆叠高度不允许滚珠浮动。

在极端压力下，球必须保持在轴的中心，并在下游座和上游轴承圈内居中。锥形负载环补偿内部零件在高温下的热增长，并在涉及缓慢建立压力的应用中提供初始密封力 - 例如燃烧锅炉。

双向服务是多家电厂球阀制造商提供的可用选项，但必须事先明确指定此选项。球阀的操作扭矩由作用在封闭球体暴露表面区域上的系统压差决定。通过球的孔尺寸（端口尺寸）是决定球闭合表面积的一个因素，因为闭合表面积必须大于端口。更大的封闭表面积意味着更高的操作扭矩。这很重要，因为发电厂的运行压力可能超过 3000 psig。因此，电厂球阀通常采用减小的端口尺寸生产，以保持较低的操作扭矩。例如，公称管道尺寸为1的电厂球阀。


选择

指定电厂球阀时应考虑端口尺寸。端口尺寸的减小会导致通过阀门的系统压力损失增加，从而导致通过限流端口的流体速度增加。发电厂球阀最初并且主要设计用于排气和排水应用。由于排气口和排水口通常使用时间很短，因此通过球口的速度增加不会产生大的磨损系数。然而，在连续过程应用中，系统压力损失和速度也将是连续的，这可能意味着限流阀过早失效。

发电厂中的高能管道系统使用 schedule 80、160 和 XX-Heavy 管道。表 1 显示了几种公称管道直径和计划的管道尺寸和管道内孔之间的相关性。

电厂球阀制造商使用公称管道尺寸和管道内径之间的关系来确定“标准”端口尺寸。几家公司发布了双 Cv 值——一个用于阀门，一个用于安装在厚壁管道中的阀门。阀门选择过程中的端口尺寸、系统运行特性和管道配置应受到密切关注。例如，如果球阀用于控制阀之前或之后的隔离，问题就变成了：较小或较大的端口将如何影响控制阀的性能？

许多电厂球阀制造商提供更大的端口尺寸作为选项。在很大程度上，该选项是“TDP-1-1998 用于防止发电用汽轮机水损坏的推荐措施”的结果，该措施为阀口尺寸与公称管道直径的关系提供了指导方针。其目的是确保通向涡轮机的高能蒸汽管道中的任何水或冷凝物都尽可能有效和快速地排出，没有残留。

选择最大的可用端口尺寸似乎是最安全的路线，但增加端口尺寸也会增加购买价格。如果阀门是自动化的，更大的端口尺寸也需要更大、更昂贵的执行器。此外，阀门在管道系统中的位置可能会限制较大执行器的可用空间量。

应仔细评估管道系统动力学，以确定双向流动的可能性或下游压力大于上游压力的可能性。例如，当排放阀排放到公共集管中时，这可能发生在闪蒸条件下。在选择过程中必须指定双向密封，选择此选项会增加阀门的成本，通常还会增加阀门的扭矩。

---


自动化

球阀比多回转和明杆阀更容易自动化，部分原因是球阀的操作是简单的 90 度转动。由于通过球阀的内部流动路径（图 7），绝大多数发电厂球阀自动化发生在两个位置执行器 - 打开和关闭。不建议对这些阀门进行节流或在部分打开位置操作。

电站球阀在操作上是同心的：卸下杠杆手柄时，没有停止，球体可以360度旋转。由于只有一个密封座，单向阀通常是球座一侧搭接另一侧未搭接，必须保持这种关系。安装的执行器将具有必须正确设置的挡块，以准确控制球的打开和关闭位置。这些职位同样重要。如果阀门没有完全打开，球的前缘和阀座的密封表面可能会出现过早磨损。如果阀门未完全关闭或球未搭接的一侧在阀体的阀座侧，则阀门会泄漏，泄漏的流体会损坏密封面。

大多数制造商更喜欢自动化他们自己的阀门，或者会有指定的自动化分销商和代表。由于电厂球阀通常是焊接端阀，执行器通常在焊接过程中被拆除。如果执行器由非授权人员拆卸和重新安装，工厂保修可能会失效。在选择过程中应解决这些问题，或者应指定带有整体止动装置的球阀。


安装

必须为杠杆手柄和执行器留出适当的间隙，因为未对准会导致短行程并导致阀杆侧加载，从而导致过早失效。

第一次购买或安装球阀或从新制造商处购买的球阀需要要求并熟悉焊接程序。需要解决的问题包括： 阀门应该在球打开时还是在球关闭时焊接到管道中？通常情况下，打开位置是优选的，以防止焊接飞溅物与球的密封表面接触。由于电厂球阀是金属阀座，因此应考虑焊接接地连接的位置，因为如果接地不当，可能会在球和阀座之间产生电弧。

应仔细评估和理解热处理要求。制造商更喜欢一次对阀门的一端进行加热，并且只加热到焊接区域。不建议用加热毯包裹整个阀门，尤其是在阀座和阀杆填料区域周围。但是，紧急情况和停机期间的时间限制通常会迫使两端同时加热——在这种情况下，应与制造商或授权代表讨论这种情况。

正如本文试图表明的那样，当正确选择和安装时，电厂球阀可为蒸汽发电厂的无泄漏隔离服务提供有效的解决方案。