高压超高温三通换向阀的研制和应用

    一、前言

    高压超高温三通换向阀是空气动力装置（风洞）上使用的特殊阀门，阀门的最高工作温度900℃，最高工作压力12MPa，公称通径DN200，换向时间≤2s。总装图如图1所示，技术要求如下。

    1）阀芯换向平稳，对阀座无明显撞击现象，换向时间≤2s。

    2）高温气流流经换向阀的热量损失要小，进出口气流温差≤1℃。

    3）阀门壳体的外表温度≤110℃。

    5）在最高工作压力12MPa和最低工作压力0.3MPa时，阀门均能密封。

    6）对阀体、阀芯、阀座及阀杆等主要零件，用有限元进行应力和温度的分析计算。

图1 高压超高温三通换向阀总装

1.阀底座 2.下阀座 3.阀芯总成 4.阀体 5.隔热衬里 6.上阀座

7.隔热套管 8.阀杆总成 9.阀盖 10.支架 11.气动传动总成 12.手动传动总成

    本阀门的通径虽然只有200mm，但因结构复杂，阀门本体重达7.3t，连同安装底座，总重为15t。该产品于2006年列入浙江省重大机电装备专项，2009年2月14日已通过省科技厅验收。2008年5月进行省级新产品鉴定，鉴定委员会根据该产品的国际查新报告、用户的国际考察报告、用户三年的使用意见、生产厂的试制总结报告和发明专利证书，确认该阀门是国内、外首创，产品于2008年还被列入国家火炬计划项目，2009年获浙江省科学技术奖二等奖。

    二、产品的八大创新点

    该产品的使用工况是同时具备三高（高温、高压、高速），还要求隔热、节能和快速平稳换向，设计难度极大。广大设计人员、项目课题组人员与清华大学、天津大学、军事交通学院的相关人员共同研究，群策群力，攻克了八大设计难关（创新点），解决了七大工艺难题，最终圆满完成了研制任务。

    1.阀门总体结构

    本阀门的流道是一进二出，右侧进口，左侧为工作气流出口，下端阀底座为排空出口。阀门主体设计成直通式结构，阀底座与阀体的连接采用压力自紧密封结构。上阀座镶焊在阀体上，下阀座镶焊在阀底座上。阀芯总成随阀杆总成同步上、下运动，分别对上、下阀座进行关闭。阀体流道采用硅酸铝纤维（耐温1450℃）隔热衬里，衬里厚度100mm，经实际使用证明，介质温度为900℃时，阀体表面温度只有104℃，所以阀体材料选用奥氏体铸钢CF8。阀芯、阀座、阀杆完全暴露在介质中，所以阀座、阀芯选用高温合金GH3128，能在900℃时连续工作100h以上。阀杆设计成四层结构，最外面保护套一端浮动，不受拉、压应力，保护套的外表面全部堆焊STL12钴基硬质合金，既耐高温又耐冲刷。阀座、阀芯、阀杆均设计了空气冷却机构，目的是为了降低密封面的工作温度，提高密封面的硬度和阀门的使用寿命。

    2.三层两体式阀芯结构

    三层两体式阀芯结构如见图2所示，阀芯“浸泡”在三高（高温、高压、高速）气流中，工作环境极为恶劣，阀门的使用寿命关键在于阀芯的寿命。阀芯设计成上、下两体，是为了在装配时将球形的阀杆头部包在里面。阀芯的最外层是镍基硬质合金防护板，第二层为硅酸铝纤维隔热层。阀芯主体材料是高温合金GH3128，能在900℃时连续工作100h。阀芯上、下球形密封面和内部球形密封面均堆焊钴基硬质合金Co119，在750℃时仍保持32～35HRC的硬度。在阀芯内部上、下各有一个凹球面，分别和阀杆头部的两个凸球面接触，以提高其浮动性。通过五年多的实践证明，该结构先进、可靠。

图2 三层两体式阀芯结构

1.下护板 2.下隔热层 3.阀芯下部 4.外圆防护套 5.阀杆头部

6.阀芯上部 7.上阀芯密封球面 8.上护板 9.冷却气管 10.上隔热层

11.上阀芯内球面 12.圆周隔热层 13.下阀芯内球面 14.下阀芯密封球面

 ♂

    3.四层三体式阀杆结构

    阀杆既承受“三高”介质的冲刷，又要承受传动系统的拉力和压力，是本阀门关键的受力件。为了提高阀杆的强度，必须降低阀杆主体的工作温度。阀杆的结构设计弯路最多，第一次采用内冷式，通过有限元分析，阀杆内外温差大，温度梯度变化大，热应力太大，行不通。第二次采用阀杆夹层和内孔同时冷却，可以解决内应力问题，但阀杆消耗能量196kW，降低试验气流温度，用户仍不同意。最后，本阀杆设计成四层三体式结构，如图3所示。所谓三体是指上阀杆、下阀杆和阀杆头部。四层是指下阀杆的内外由四层组成，最外层是保护套，一端与阀杆头部焊接，另一端浮动，不会产生热变形应力，保护套的外表面堆焊钴基硬质合金。第二层为隔热层，可减少保护套对阀杆主体的热传导和热辐射。第三层为阀杆主体，选用45Cr14Ni14W2Mo高强耐热钢。第四层为冷却管，冷却空气从进气口进入管内，流经阀杆头部，再从阀杆主体的内孔，即冷却管的外壁，从排气口排出。该结构通过有限元分析，阀杆主体的外壁温度538℃，等效应力287MPa，内壁温度375℃，等效应力166MPa，温差梯度和应变梯度都在材料的许用范围内。

图3 四层三体式阀杆结构

1.阀杆头部 2.阀杆保护套 3.阀杆隔热层 4.阀杆主体 5.冷却管

6.下阀杆顶盖 7.下螺母 8.锁紧螺母 9.对开圆环 10.上螺母

11.上阀杆 12.进气口 13.出气口14.上接触球面 15.阀芯上部 16.下接触球面 17.阀芯下部

    4.阀体的隔热保温结构

    阀体的隔热保温结构如图4所示，图中介质流道壁固定耐高温隔热套管，套管由三层组成，厚度分别为8mm、2mm、1mm，每层都钻有通气孔，通气孔的的位置相互错开，以防止高速气流将隔热纤维“抽走”。隔热套管外面先包裹三层硅酸铝纤维布，每层厚3mm，再包裹三层硅酸铝纤维毡，每层厚20mm，外面用硅酸铝纤维棉塞紧。这样设计使隔热套管内外压力平衡，不会变形，硅酸铝纤维耐高温1450℃，不易烧损，隔热效果好，经测定，阀体表面温度只有104℃，满足用户要求。

图4 阀体的隔热保温结构

1.第一层套管通气孔 2.第一、二层套管通气孔 3.第三层套管通气孔

4.第二、三层套管隔热垫 5.硅酸铝纤维棉 6.硅酸铝纤维毡

7.第二层套管道气孔 8.硅酸铝钎维布 9.第三层套管

10.第二层套管 11.第一层套管 12.阀体流道    

    5.阀芯的支承结构

    本阀门由于进出口管道布局问题，用户要求阀门卧式安装。阀芯组合体重达300kg，靠上、下阀座中间的支承架承担。阀芯的密封面高低位置由阀芯导向轴中心的高低位置来决定，如图5所示。当阀门由常温升到高温时，例如升高800℃，阀芯导向轴的直径会增大1.02mm，托架下部会升高0.96mm，阀芯导向轴的中心会升高1.47mm，就是说常温时阀芯的密封面中心在A1点，高温时阀芯的密封面中心在A2点，中心上移了1.47mm。阀门设计时如果忽略了这一计算，则阀门在高温时就很难密封。    

图5 阀芯支承装置

1.阀座密封面 2.冷却槽 3.阀芯导向轴 4.阀座支架 5.下阀座

 ♂

    6.主件应力场温度场的有限元分析计算

    计算前要确定边界条件，计算后要修改设计，以计算书内阀体的有限元分析为例，图6为阀体内无隔热层加热11min时的温度分布，图7为阀体内有隔热层加热11min时的温度分布。从温度分布图可知，阀体内衬隔热保温材料是非常必要的。

图6 阀体无隔热层加热11min的温度分布

图7 阀体内有隔热层加热11min的温度分布

    由图6、图7可见，内壁温度为491℃，外壁温度为285℃；隔热层内壁温度741℃，阀体外壁温度100℃。

    7.阀门的传动系统

    阀门的气动传动系统，要求使阀门2s内换向，且不允许阀芯对阀座产生撞击，如图8所示。气缸内活塞的运动，通过阀杆带动阀芯运动，实现阀门启闭换向。活塞运动的快慢取决于气缸进气量的多少和气缸内径的大小。气缸内径的设计是由阀芯启闭合成力的大小决定，该传动机构的关键技术在于气缸的上、下座分别安装了54根减振储能弹簧，弹簧的长度分长、中、短三组，分级减振。如果没有弹簧，则计算出密封面的密封比压为226MPa，超过了密封面材料的许用比压，行不通。由上述分析可见，气缸内安装减振储能弹簧是非常必要的，气缸内安装弹簧有减振阻尼，帮助气缸开启阀门，保护阀门密封面及提高阀门使用寿命的作用。

图8 气动控制系统

1.上阀杆 2.缓闭油缸 3.缓闭油缸活塞 4.节流阀 5.下气缸座 6.活塞

7.气缸 8.短弹簧 9.长弹簧 10.上气缸座 11.手动机构

 ♂

    8.阀门的冷却系统

    本阀门由于介质温度太高，对裸露介质中的零件，如阀座、阀芯、阀杆应进行冷却，以便降低工作温度，提高强度。冷却介质均为空气。本阀门的冷却系统包括体内冷却和阀芯外部冷却两部分，体内冷却又包括三部分。

    1）阀杆、阀杆头部和阀芯内部的冷却。

    2）上阀座靠近密封面处冷却。

    3）下阀座靠近密封面处冷却。阀芯外部冷却是在阀门停止工作的间隙，分别从阀芯外围的冷却管内进入空气，对阀芯外表面进行冷却。

    三、产品攻克的工艺难题

    1.内件的选材和加工

    本阀门的内件是指阀芯、阀座和阀杆，这些零件选用高温合金GH3128锻件，国内阀门行业首次采用这种材料，该材料耐高温性能特别好，能在900℃时连续工作100h，但该材料的冶炼和锻造只有四川长城特钢等少数钢厂才能胜任。材料机加工也较困难，韧性很大，就连在r射线探伤时，由于其密度大，透照性差，透照时间相当于普通不锈钢的五倍。开始设计阀杆用此材料，其内孔φ32mm×1170mm，后来通过改进设计，阀杆外面增加保护套和隔热层，阀杆主体的温度控制在500℃以下，阀杆材料改为耐热不锈钢45Cr14Ni14W2Mo，机械加工就容易多了。

    2.阀芯内、外密封面的加工及阀杆外套的加工

    阀芯内、外密封面均为球面，均堆焊Co119，硬度达57HRC。内外球面的表面粗糙度Ra0.2，而且要求内、外球面同心，所以磨球的工艺装备的设计制造都有很大的难度。

    阀杆外套壁厚只有8mm，外径φ120mm，长度1100mm，外表面堆焊硬质合金。由于焊接面积大，堆焊时间长，极易产生裂纹。浙江石化阀门有限公司采用预热分段氩弧焊方法攻克了这一难关。

    3.上、下阀芯的组装和焊接

    本阀门的阀芯组装是十分困难的，组装按照五道工序进行。

    1）将下阀杆和阀杆头部用螺纹旋紧，焊牢。

    2）将阀杆外圆的环槽内包裹硅酸铝纤维布，然后套上阀杆保护套。

    3）将阀杆保护套和阀杆头部连接处焊牢。

    4）将阀芯上部套到阀杆头部，并将阀芯下部与阀芯上部用螺纹旋合。

    5）将上、下阀芯焊为一体。焊接需要专用工装和特殊的焊接工艺。

    4.阀体衬里工艺

    阀门应在壳体强度试验和上、下阀座密封试验合格后，才能在阀体内壁进行衬里。本阀门的衬里工作量很大，衬里为以下六道工序。

    1）将钻好通气孔的三层隔热套管分层套上，并分别焊上隔板垫。

    2）按图样尺寸加工套管外形。

    3）在阀体内壁和套管外圆分别焊接套管固定板。

    4）套管外面分别包裹硅酸铝纤维布、纤维毡，每层皆用304不锈钢丝扎紧，然后放入阀体内。

    5）用304材质的螺栓紧固件将隔热套管与阀体内壁的连接板固定。

    6）将空隙处塞紧硅酸铝纤维棉。

    5.阀门冷却系统的加工和安装

    阀门的冷却系统主要是阀杆和阀座的内冷却系统，阀底座的外侧分别钻有进气孔和出气孔，孔口攻螺纹与管接头相配。阀底座纵向钻有进气孔和出气孔，分别与螺纹孔连通。下阀座的密封面外侧，车出环形冷却槽，槽口焊堵，环形冷却槽通过径向孔和下端面孔分别与阀底座的冷却孔相通，这样就使冷空气进入下阀座，对密封面附近区域吸热冷却。

    阀芯外冷却管的加工十分困难，要在环形冷却管的内侧钻40多个φ2mm的斜孔，工艺性很差。冷却管要焊在冷却架上，冷却架再焊在阀座上，既要焊牢，还要保证内部气路畅通，还不能在焊缝处向外漏气，施工困难。

    四、应用及发展前景

    高压超高温三通换向阀，从2005年安装在高超声速风洞上，已累计完成600多次吹风试验，经受了长期“三高”介质的考验。在传动方面，由于采用了阻尼储能弹簧和缓闭可调油缸，不仅在操作上振感轻微，而且换向时间稳定在1.88～1.98s，满足了用户的要求。阀体的隔热保温效果明显，经测试，阀体外表温度最高为104℃，也符合设计要求。另外阀体内的隔热结构设计非常理想，未发现高速气流抽走隔热丝现象，保证了高温空气的清洁。这台阀门为高马赫数试验缩短了时间，提高了吹风试验效率，保证了人员设备的安全性。

    五、结语

    该产品的研制成功，不仅在同时具备“三高”介质的尖端阀门的研制上积累了经验，同时在气液传动机构上探出新路。随着国家科技的高速发展，阀门行业将面临许多新的课题。