高溫熔鹽節流閥的設計

摘要：闡述了用于高溫熔鹽工況的節流閥材料選擇、結構特點，并對其設計計算和檢驗進行了分析，對于高溫熔鹽節流閥的設計具有一定的參考意義。

關鍵詞：高溫熔鹽工況;節流閥;結構特點;波紋管密封;設計計算;檢驗

0? ? 引言

對清潔能源需求的增加，促進了太陽能和核能發電等行業發展。在其核心工藝系統中，用于熱交換的熔鹽管道除了需要各種開關閥門外，也需要一定數量節流閥來調節管路內的熔鹽介質流量。但介質易結晶、具有腐蝕性以及開關調節頻繁的工況條件，要求高溫熔鹽節流閥除具有耐高溫、耐腐蝕、內腔無死角、密封性能可靠等特點外，還必須帶有多種測控儀器接口以便監測閥門運行狀態。

本文著重從材料選擇、結構設計、設計計算與檢驗等方面來介紹高溫熔鹽節流閥的設計。

1? ? 材料選擇

考慮不同溫度工況和熔鹽的腐蝕性，高溫熔鹽節流閥的主要零件選材可參照表1。

2? ? 結構設計

針對熔鹽介質易結晶特點和閥門頻繁調節要求，須對閥門的流道型式、閥桿密封結構、閥芯節流方式等進行有別于傳統結構的設計，其典型的內部結構設計如圖1所示。

（1）閥體流道采用角式結構型式，防止介質在腔體中滯留。

（2）閥體與閥蓋間密封采用金屬C型彈性密封圈與唇邊焊相結合方式，避免閥門中部泄漏的風險。

（3）閥桿采用無填料式雙重波紋管密封結構，克服了傳統密封結構在閥桿運動中帶出的介質在填料低溫區凝固而引起閥桿卡塞的缺陷，結構原理如圖2所示。

在閥桿的上下部分布置兩個波紋管，下波紋管位于下腔體中，其外表面與高溫熔鹽介質直接接觸;上波紋管設于上腔體中，其外表面與空氣接觸。

為了延長波紋管使用壽命，可在壓力平衡腔中充入一定壓力的稀有氣體，使得下波紋管在內外壓差值較小的工況下運行;并在下體腔的四周設置擾動阻擋板，防止流動的高溫介質直接沖擊下波紋管外表面。

（4）閥芯與套筒采用多道柵格節流孔的型式，在不影響流通面積的前提下可有效縮短波紋管運行長度，延長了閥門波紋管使用壽命。具體柵格式節流結構型式和外形如圖3和圖4所示。

閥芯在閥桿上下運行的帶動下和套筒間的柵格孔對準時，閥門全部導通;當柵格孔錯位時，形成節流面積，對介質流量進行調節，具有流量大、可調比大、行程短的優點。

（5）閥門壓力平衡腔的壁中上設有溫度探測器接口，以便對閥門內部運行溫度進行探測，保證閥門控制器在介質結晶溫度以上才對閥門進行啟閉或調節操作。

（6）在下波紋管破裂情況下，因壓力平衡腔及長導管內會被介質堵塞，使得接在壓力平衡腔的進出導管間壓差發生變化，從而可以感知波紋管發生故障，結構原理如圖5所示。

當發生外漏故障時，可提起閥桿，使上密封結構接觸，隔斷閥門上唯一的外漏通道，并同時對上腔體外部的風罩內通入冷卻氣體，使溢出到上腔體中的高溫介質凝固，避免故障進一步擴大。

3? ? 設計與計算

3.1? ? 承壓閥體壁厚計算

在確定閥門內部結構設計和承壓閥體內徑后，按式（1）進行承壓殼體的壁厚計算：

式中，δ為閥體壁厚（mm）;Pc為閥門最大工作壓力（MPa）;Di為閥體內徑（mm）;[σ]t為閥體材料在工作溫度下的許用應力（MPa）;[σ]CRt為閥體材料在工作溫度下和蠕變范圍內的許用應力（MPa）;C為閥體壁厚在設計壽命內的腐蝕裕量（mm）。

3.2? ? 中法蘭尺寸確定

閥門中法蘭設計主要采用參照法進行，根據閥門殼體材料性能，按式（2）確定適當的公稱壓力PN數值：

接著，按照此數值和閥體內徑，查找現有的法蘭標準，如GB/T 9124、ASME B16.5等，確定中法蘭尺寸。

3.3? ? 中法蘭承壓螺栓在常溫和高溫下的強度核算

在常溫下，螺栓所受應力按照式（3）進行核算：

式中，DW為中法蘭唇邊密封焊外徑（mm）;AL為單個螺栓應力截面積（mm2）;N為螺栓數量（個）。

在高溫下，螺栓所受應力按照式（4）進行核算：

式中，[δL]t為高溫下螺栓材料許用應力（MPa）;[δL]CRt為高溫下螺栓材料蠕變范圍內許用應力（MPa）。

3.4? ? 閥芯柵格孔總過流面積計算

閥芯柵格總過流面積按照式（5）進行計算：

式中，SA為閥芯柵格總過流面積（mm2）;λ為每流量系數的流通面積（mm2）;KV為按式（6）計算的閥門流量系數，無量綱。

式中，Q為熔鹽介質在閥門中的設計流量（m3/h）;ΔP為閥門進出口端的靜壓差（kPa）。

根據經驗，式（5）中參數λ值可初步設置為2 mm2，但在每種規格產品定型前應對樣機進行流通能力的試驗，并根據試驗結果再修正參數λ和總流通面積SA。

3.5? ? 波紋管設計

波紋管自由高度與行程、閥位間關系如圖6所示。

其中，H=（0.05～0.08）L，H1=0.7H，H2=0.3H。

應當指出，用于熔鹽工況的波紋管宜采用焊接式，且其內徑應比閥桿外徑大2～4 mm，外徑與內徑之比為1.3～1.5。

3.6? ? 閥桿推力計算

根據閥門結構特點，運行中的閥桿始終受到內部介質向外推力、波紋管彈性力以及截斷時密封面力的共同作用，并在閥開位和閥關位達到最大值，具體如式（7）和式（8）所示。

在閥開位置，閥桿受力：

在閥關位置，閥桿受力：

式中，DB為波紋管外徑（mm）;k為波紋管剛度（N/mm）;DM為各柵格密封面中徑之和（mm）;q為柵格密封面密封比壓（N/mm）。

分析閥桿受力情況，也為選擇閥門執行機構提供了理論依據。

4? ? 檢驗與試驗

為保證閥門在高溫熔鹽工況下可靠、安全工作，在制造過程中應對以下幾個關鍵工藝節點進行檢驗：

（1）應先制作樣機對多道柵格節流孔的流通能力和可調比進行測定，保證滿足設計需求;

（2）對組裝前的波紋管進行氦氣檢漏;

（3）對殼體首先進行無內部零件的水壓強度試驗，試驗合格后拆解殼體;

（4）接著對所有零件進行禁油、禁水處理，并檢查合格;

（5）所有圖紙上要求密封并嚴禁碰傷的表面，均應在每道工序后給予檢查;

（6）閥體組裝后只能使用氦氣對閥門進行壓力試驗，并用氦質譜儀進行檢漏;

（7）泄漏試驗合格后，應安裝上執行機構，調整連接螺母，使得閥芯與套筒柵格節流孔在全開信號下完全對準，在全關信號下完全遮斷;

（8）對執行機構輸入4～20 mA信號，對閥門進行30 min以上的不間斷操作試驗，閥門應運行順暢、無卡阻;

（9）最后將干凈的閥門裝入全新PE薄膜袋并充入氮氣保護。

5? ? 結語

因高溫熔鹽節流閥運行工況要求，其結構特點必然不同于常規的調節閥，并且在閥門上增設有不同的傳感器和執行器接口，屬于比較先進的機電結合產品，但只要精心選材、設計、編制工藝規則并制作相關工裝夾具，然后嚴格按照制定的規范進行制造與檢驗，閥門均能可靠地運行于相應的管道系統中。需要指出的是，在使用中進行監測和定期維護，按照規程操作閥門也是很重要的。

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收稿日期：2020-04-22

作者簡介：陳聲坦（1971—），男，福建長樂人，工程師，從事閥門產品的研究與開發工作。