高温熔盐节流阀的设计

摘要：阐述了用于高温熔盐工况的节流阀材料选择、结构特点，并对其设计计算和检验进行了分析，对于高温熔盐节流阀的设计具有一定的参考意义。

关键词：高温熔盐工况;节流阀;结构特点;波纹管密封;设计计算;检验

0    引言

对清洁能源需求的增加，促进了太阳能和核能发电等行业发展。在其核心工艺系统中，用于热交换的熔盐管道除了需要各种开关阀门外，也需要一定数量节流阀来调节管路内的熔盐介质流量。但介质易结晶、具有腐蚀性以及开关调节频繁的工况条件，要求高温熔盐节流阀除具有耐高温、耐腐蚀、内腔无死角、密封性能可靠等特点外，还必须带有多种测控仪器接口以便监测阀门运行状态。

本文着重从材料选择、结构设计、设计计算与检验等方面来介绍高温熔盐节流阀的设计。

1    材料选择

考虑不同温度工况和熔盐的腐蚀性，高温熔盐节流阀的主要零件选材可参照表1。

2    结构设计

针对熔盐介质易结晶特点和阀门频繁调节要求，须对阀门的流道型式、阀杆密封结构、阀芯节流方式等进行有别于传统结构的设计，其典型的内部结构设计如图1所示。

（1）阀体流道采用角式结构型式，防止介质在腔体中滞留。

（2）阀体与阀盖间密封采用金属C型弹性密封圈与唇边焊相结合方式，避免阀门中部泄漏的风险。

（3）阀杆采用无填料式双重波纹管密封结构，克服了传统密封结构在閥杆运动中带出的介质在填料低温区凝固而引起阀杆卡塞的缺陷，结构原理如图2所示。

在阀杆的上下部分布置两个波纹管，下波纹管位于下腔体中，其外表面与高温熔盐介质直接接触;上波纹管设于上腔体中，其外表面与空气接触。

为了延长波纹管使用寿命，可在压力平衡腔中充入一定压力的稀有气体，使得下波纹管在内外压差值较小的工况下运行;并在下体腔的四周设置扰动阻挡板，防止流动的高温介质直接冲击下波纹管外表面。

（4）阀芯与套筒采用多道栅格节流孔的型式，在不影响流通面积的前提下可有效缩短波纹管运行长度，延长了阀门波纹管使用寿命。具体栅格式节流结构型式和外形如图3和图4所示。

阀芯在阀杆上下运行的带动下和套筒间的栅格孔对准时，阀门全部导通;当栅格孔错位时，形成节流面积，对介质流量进行调节，具有流量大、可调比大、行程短的优点。

（5）阀门压力平衡腔的壁中上设有温度探测器接口，以便对阀门内部运行温度进行探测，保证阀门控制器在介质结晶温度以上才对阀门进行启闭或调节操作。

（6）在下波纹管破裂情况下，因压力平衡腔及长导管内会被介质堵塞，使得接在压力平衡腔的进出导管间压差发生变化，从而可以感知波纹管发生故障，结构原理如图5所示。

当发生外漏故障时，可提起阀杆，使上密封结构接触，隔断阀门上唯一的外漏通道，并同时对上腔体外部的风罩内通入冷却气体，使溢出到上腔体中的高温介质凝固，避免故障进一步扩大。

3    设计与计算

3.1    承压阀体壁厚计算

在确定阀门内部结构设计和承压阀体内径后，按式（1）进行承压壳体的壁厚计算：

式中，δ为阀体壁厚（mm）;Pc为阀门最大工作压力（MPa）;Di为阀体内径（mm）;[σ]t为阀体材料在工作温度下的许用应力（MPa）;[σ]CRt为阀体材料在工作温度下和蠕变范围内的许用应力（MPa）;C为阀体壁厚在设计寿命内的腐蚀裕量（mm）。

3.2    中法兰尺寸确定

阀门中法兰设计主要采用参照法进行，根据阀门壳体材料性能，按式（2）确定适当的公称压力PN数值：

接着，按照此数值和阀体内径，查找现有的法兰标准，如GB/T 9124、ASME B16.5等，确定中法兰尺寸。

3.3    中法兰承压螺栓在常温和高温下的强度核算

在常温下，螺栓所受应力按照式（3）进行核算：

式中，DW为中法兰唇边密封焊外径（mm）;AL为单个螺栓应力截面积（mm2）;N为螺栓数量（个）。

在高温下，螺栓所受应力按照式（4）进行核算：

式中，[δL]t为高温下螺栓材料许用应力（MPa）;[δL]CRt为高温下螺栓材料蠕变范围内许用应力（MPa）。

3.4    阀芯栅格孔总过流面积计算

阀芯栅格总过流面积按照式（5）进行计算：

式中，SA为阀芯栅格总过流面积（mm2）;λ为每流量系数的流通面积（mm2）;KV为按式（6）计算的阀门流量系数，无量纲。

式中，Q为熔盐介质在阀门中的设计流量（m3/h）;ΔP为阀门进出口端的静压差（kPa）。

根据经验，式（5）中参数λ值可初步设置为2 mm2，但在每种规格产品定型前应对样机进行流通能力的试验，并根据试验结果再修正参数λ和总流通面积SA。

3.5    波纹管设计

波纹管自由高度与行程、阀位间关系如图6所示。

其中，H=（0.05～0.08）L，H1=0.7H，H2=0.3H。

应当指出，用于熔盐工况的波纹管宜采用焊接式，且其内径应比阀杆外径大2～4 mm，外径与内径之比为1.3～1.5。

3.6    阀杆推力计算

根据阀门结构特点，运行中的阀杆始终受到内部介质向外推力、波纹管弹性力以及截断时密封面力的共同作用，并在阀开位和阀关位达到最大值，具体如式（7）和式（8）所示。

在阀开位置，阀杆受力：

在阀关位置，阀杆受力：

式中，DB为波纹管外径（mm）;k为波纹管刚度（N/mm）;DM为各栅格密封面中径之和（mm）;q为栅格密封面密封比压（N/mm）。

分析阀杆受力情况，也为选择阀门执行机构提供了理论依据。

4    检验与试验

为保证阀门在高温熔盐工况下可靠、安全工作，在制造过程中应对以下几个关键工艺节点进行检验：

（1）应先制作样机对多道栅格节流孔的流通能力和可调比进行测定，保证满足设计需求;

（2）对组装前的波纹管进行氦气检漏;

（3）对壳体首先进行无内部零件的水压强度试验，试验合格后拆解壳体;

（4）接着对所有零件进行禁油、禁水处理，并检查合格;

（5）所有图纸上要求密封并严禁碰伤的表面，均应在每道工序后给予检查;

（6）阀体组装后只能使用氦气对阀门进行压力试验，并用氦质谱仪进行检漏;

（7）泄漏试验合格后，应安装上执行机构，调整连接螺母，使得阀芯与套筒栅格节流孔在全开信号下完全对准，在全关信号下完全遮断;

（8）对执行机构输入4～20 mA信号，对阀门进行30 min以上的不间断操作试验，阀门应运行顺畅、无卡阻;

（9）最后将干净的阀门装入全新PE薄膜袋并充入氮气保护。

5    结语

因高温熔盐节流阀运行工况要求，其结构特点必然不同于常规的调节阀，并且在阀门上增设有不同的传感器和执行器接口，属于比较先进的机电结合产品，但只要精心选材、设计、编制工艺规则并制作相关工装夹具，然后严格按照制定的规范进行制造与检验，阀门均能可靠地运行于相应的管道系统中。需要指出的是，在使用中进行监测和定期维护，按照規程操作阀门也是很重要的。

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[2] 闻邦椿.机械设计手册[M].5版.北京：机械工业出版社，2013.

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[8] 电站阀门：NB/T 47044—2014[S].

收稿日期：2020-04-22

作者简介：陈声坦（1971—），男，福建长乐人，工程师，从事阀门产品的研究与开发工作。