高温高压圆环双金属片式疏水阀的设计

　　介绍了高温高压圆环双金属片式疏水阀的工作原理，主要零件和结构的设计计算以及结构特点。

1、概述

　　双金属片疏水阀是通过温度的变化自动控制阀瓣开启和关闭，起到阻汽排水作用。双金属片疏水阀能连续排水或间歇排水，工作无噪声，无振动，不漏气，不水击，不冻结，能自动排出冷空气和不凝结气体。根据现场工况的需求，设计了一种工作压差为2. 0 ～ 15. 0MPa，温度调整范围100 ～ 340℃ 的双金属片式疏水阀。

2、疏水阀的设计参数

　　阀体材质铬钼锻钢A182F22，公称压力42. 0MPa，最高允许温度550℃，最大排量300kg /h，最高工作压力15. 0MPa，排水温度调整范围100 ～ 340℃，连接方式对接焊和法兰连接。

3、疏水阀的工作原理

　　高温高压圆环双金属片式疏水阀( 以下简称疏水阀，图1) 的圆环形双金属片在常温时为平直状态，弹簧弹力托起阀瓣，使排水口处于完全开放状态，管路中的冷空气及初期凝结水可迅速排出。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为高温介质进入时，双金属片受热弯曲产生的作用力克服弹簧的弹力，将阀瓣压向排水口使疏水阀关闭。当凝结水温度降低至设定温度时，双金属片弯曲变形的程度减小，产生的热作用力亦减小，双金属片作用力及由于进、出口压差作用于阀瓣上的压力之和小于弹簧的弹力时，阀瓣被托起，出水口开启，疏水阀又处于排放状态。低温凝结水排出后，高温凝结水再次进入，疏水阀关闭，重复上述动作。

1. 双金属片2. 心轴3. 支架4. 大弹簧5. 小弹簧6. 弹簧板7. 阀瓣8. 阀座

图1 高温高压圆环双金属片式疏水阀

4、疏水阀的设计计算

　　(1) 双金属片位移( 挠度) 和热推力

　　双金属片是用两种温度膨胀系数相差很大的金属材料复合制成。当双金属片受热时，会产生弯曲变形( 图2) ，其位移( 挠度) f、机械弹力P 热推力PT为

　　从式(3) 看出，热推力PT与温度差成直线关系，简单的把数片双金属片叠放在一起，总的热推力会按双金属片叠加数成比例的增加。

图2 双金属片受热弯曲产生变形

　　(2) 调整间隙

　　调整间隙Fn是常压常温下阀瓣与阀座之间的距离。从常温开始，高温介质进入时，一方面双金属片受热弯曲产生变形消除常温调整间隙，另一方面双金属片受热弯曲产生的热推力PTn克服弹簧弹力( 指定变形量Fn下的工作负荷Pn，) ，将阀瓣部件推动趋向阀座孔，趋向疏水阀关闭。任何同一温差ΔTn同时具有两种作用。介质温度升高时，一部分温差ΔTn1使双金属片受热弯曲产生变形消除常温调整间隙Fn，另一部分温差ΔTn2使双金属片受热弯曲产生热推力PTn。PTn要克服弹簧指定变形量Fn的工作负荷Pn，即需要PTn≥Pn

　　因此，在同一温差ΔTn内弹簧能消除双金属片的过度膨胀( 因为需要部分温差ΔTn2使双金属片受热弯曲产生热推力PTn而不产生消除常温调整间隙的变形) 。设PT2是临界关闭状态在温差ΔT22下克服弹簧弹力Pn2需要的双金属片热推力( PT2为设计给定值，与设计最高工作压力相关) 。设Pn2是压缩弹簧弹力，在任何蒸汽压力与任何关阀温度T2的临界关闭状态与已经关闭状态下的在弹簧指定变形量Fn2下的工作负荷( 关闭状态下的弹簧指定变形量Fn2固定不可调，Pn2为定值不变，Pn2为设计给定值，与设计最高工作压力相关) 。

　　设相应蒸汽压力下的常温调整间隙Fn是部分温差ΔT21对应的一组n1片相向成对使用的双金属片产生的变形量，Fn为

　　式(6) 显示，实际最高蒸汽压力大于设计给定最高工作压力PMO的η 倍，也表示在设计给定最高工作压力时，允许比最高工作压力下的设计开阀温度更高的凝结水温度温差使双金属片受热弯曲变形产生热推力PT，增加了阀瓣的开阀温度范围，也能顺利开阀。

　　(3) 阀瓣的最小开启量

　　疏水阀最大排量时阀瓣的最小开启量h 为

　　常温时圆环形双金属片为平直状态，弹簧弹力Pn托起阀瓣部件，使阀座孔处于完全开启状态，管路中的冷空气及初期凝结水可迅速排出。此时阀瓣的最小开启量h( 阀瓣离开阀座入口的距离) 足够大，阀瓣处于阀座孔入口之上足够高处。

5、疏水阀的结构特点

　　(1) 采用圆环形双金属片式正向密封型调温结构。多对双金属片串联安装，每对相向成对使用。双金属片之间设有隔垫，使之保持固定的间隙，使各双金属片受热均匀，对温度变化的受热变形灵敏性一致，带动疏水阀的启闭件动作。隔垫有良好的传递力作用，在受热弯曲时，每对双金属片之间不产生摩擦，不造成圆环双金属片弯曲力的轴向分力的损失，满足双金属元件的常温调整间隙与圆柱螺旋压缩弹簧工作行程互相匹配。正向密封型设计，打开阀瓣的力为大压缩弹簧的弹力，阀瓣关闭后介质静压力作用在阀瓣上，使阀瓣密封力随介质压力的增加而变大，密封可靠，无高温凝结水及蒸汽漏损。

　　(2) 自动中心定位自由浮动关闭系统。阀瓣和阀座没有部分的或单面的磨损现象，极大地减少了保持密封的关闭力，减少了内件的磨损。软闭合结构，在相应蒸汽压下的设计关阀温度时，阀瓣部件的支架已接触到阀座上的定位面，在相应蒸汽压下的设计关阀温度更高的高温凝结水温度使双金属片继续弯曲变形，产生双金属片热推力作用在阀座的定位面上而不作用在阀瓣上。

　　(3) 采用独特的温度调整结构。正向密封的圆环双金属片与双弹簧结合，利用大、小双弹簧弹力和阀座定位面的支承力平衡双金属片受热弯曲产生的热推力，减少了高压下密封面压紧力，提高了关闭系统的稳定性。

　　(4) 疏水阀在工作压差2.0 ～ 15.0MPa，排水温度100 ～ 340℃范围内可靠动作，满足高压蒸汽疏水阀排除凝结水和不可凝气体、阻止蒸汽泄漏的使用要求，并有利于凝结水回收利用。

　　(5) 阀瓣和阀座采用不锈钢材料。阀瓣经过热处理后磨削加工，阀座调质加工后对密封面进行压形，不同角度的锥面密封形成了完整的环形接触，使关阀力集中在较窄的密封环线上，加强了密封性能。

　　(6) 阀体、阀盖均采用铬钼锻钢制成，满足高温高压下材质性能的要求，整体结构紧凑、合理。该疏水阀可任意角度安装，动作灵敏、噪声小，使用寿命长久，维修简单。热双金属片采用进口材料能保证产品性能，在圆环双金属片式疏水阀中工作压力高，公称压力42. 0MPa，最高工作压差15.0 MPa，具有较高的实用价值和可推广性。

6、结语

　　高温高压圆环双金属片式疏水阀，满足了蒸汽加热系统集中疏水，降低了安装成本，减少了疏水阀维护费用，以及石化行业扩能改造工程和高产能新项目对高参数蒸汽疏水阀的需求，提高了国产疏水阀的技术含量和性能参数。