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1000MW超臨界火電機組用WB36鋼閥門研制

文檔作者：孟新凌程儉學俞樹榮余龍文檔來源： 1．河南開封高壓閥門有限公司 2．蘭州理工大學石油化工學院		點擊數：	更新時間： 2025年10月21日
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2第00387年卷9月第 5期 石 油 化 工 設 備
PETR()_CHEMICAL EQUIPMENT
V01．37 NO．5
Sept． 2008
文章編號：1 OOO一7466(2OO8)O5—0016—04
1 000 MW 超臨界火電機組用WB36鋼閥門研制
孟新凌 ，程儉學 ，俞樹榮。，余 龍
(1．河南開封高壓閥門有限公司，河南開封475002；
2．蘭州理工大學石油化工學院，甘肅蘭州 730050)
摘要：介紹了1 000 MW 超臨界火電機組給水系統及高壓加熱器系統用WB36鋼閥門的研制，分
析了WB36鋼的材料性能，對WB36鋼在超臨界火電機組用閥門制造中的技術難題進行了探討，
開發了擁有自主知識產權的制造技術。
關鍵詞：閥門；火力發電機組；超臨界；WB36鋼；研制
中圖分類號：TM 621．72 文獻標志碼：A
Development of W B36一steel Valve for 1 000 M W Ultra Supercritical Thermal Power Units
M ENG Xin—ling ， CHENG Jian-xue ， YU Shu-rong2， YU Long2
(1．Henan Kaifeng High Pressure Vavle Ltd．，Kaifeng 475002， China； 2．College of
Petrochemical Engineering Technology，Lanzhou Univ． of Tech．， Lanzhou 730050，China)
2．5 止裂系數，的估算方法
根據上面分析，對帶加強筋的穿透裂紋平板止
裂系數f的估算可按下面步驟進行：① 確定a、
L ／n、 ／a和w／a的值。② 根據a的值查表1，求多
項式系數。③ 根據多項式系數和L ／口的值，計算
基準參數條件下止裂系數 和，。 。④ 根據艿 ／a
的值計算厚度修正因子a。⑤ 根據w／a的值查表3
求 。⑥計算止裂系數廠一f0-8。
舉例如下。現有一含穿透裂紋的平板，厚度為
， 裂紋長度2a一(2×60)mm，在L 一0．3 a處對稱
布置加強筋，加強筋半長L=0．5 a，寬w=0．4 a，厚
一1．5 ，根據估算步驟，得止裂系數，一0．437 8，
有限元計算值為 一0．407 4，估算值的誤差為
7．46 ，且偏于安全。
3 結論
(1)隨著裂紋長度n的增加，止裂系數廠與位
置L ／口的關系趨于穩定。當口> 48 mm 時，相同
L ／n處的 值與a無關。
(2)長度對止裂系數-廠的影響可以忽略。
- + 一+ 一+ + 一+ -+ -+ 一+ 一· ”— 一—0一 + 一——
(3)厚度 ／ 增大，，減小，可以用厚度修正因
子a衡量厚度對廠的影響， 僅與 。／ 有關。
(4)寬度w／a增大，．廠減小，可以用寬度修正因
子p衡量寬度對-廠的影響， 與w／a、L ／a有關。
(5)算例說明，文中止裂系數，的估算公式的
計算精度滿足要求。
參考文獻：
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Stress Intensity for a Crack—stiffened Panel[J]．Engineering
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[53 M R Ayatollahi，R Hashemi．Computation of Stress Intensity
Factor and T—stress for Cracks Reinforced by Composite Patc—_
hing[J]．Composite Structures，2007，78(4)：602—609．
(杜編)
收稿日期：2008-04—24
作者簡介：孟新凌(1967一)，女，河南武陟人，工程師，從事閥門新產品研制及管理工作。
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第5期 孟新凌，等：1 000 MW 超臨界火電機組用WB36鋼閥門研制
Abstract：The manufacture technology of W B36 steel valve in water supply system for 1000MW
ultra suDercritica1 thernla1 power units and high pressure heating system are presented． The key
techno1ogy of the uItra-supercritical units was investigated and the capability of W B36一steel was
analyzed as we11．The problems of valve for the ultra—supercritical units were solved，and domestic
manufacture technology was devised．
Key words： vaIve；thermal power units；ultra supercritical critical；W B36 steel；development
隨著國內火電機組向著大容量、高參數、高熱強
材質、高可靠性超臨界機組的發展，對火電機組高溫
高壓閥門的技術性能提出了更高的要求。WB36鋼
是一種新型高強閥門用鋼，屬Ni～Cu—Mo型低合金
鋼，DIN標準名稱為15NiCuMoNb，由德國Thy—
seen鋼廠最先研制。由于該鋼具有強度高和焊接
性能優良的特點，已廣泛地應用于1 000 Mw 超臨
界機組的高壓給水管路、高壓加熱器進出口及旁路
閥門的制造。與碳素鋼相比，其許用應力提高約2
倍，閥門壁厚可減少一半。但國內WB36鋼制閥門
必須從國外進口，價格昂貴。為了改變這種狀況，河
南開封高壓閥門有限公司吸收國外高新技術，成功
地研制出了1 000 MW 超臨界機組用WB36鋼制閥
門。2006年1o月，河南開封高壓閥門有限公司首
次為某發電公司生產的1 000 Mw 超臨界火力發電
機組用整體鍛鋼高壓加熱器出人口閥、大旁路閥、電
動和汽動主給水泵出口閥共9臺投入運行．至今情
況良好。文中介紹其研制情況。
1 火力發電機組用WB36鋼閥門參數
(1)高壓給水加熱器給水用WB36鋼閥門 閥
門型號和規格：① Z9D60Y45OW36—300，公稱壓力
45．0 MPa，公稱直徑300 mm。②Z9D60Y450W36—
350，公稱壓力45．0 MPa，公稱直徑350 mm。2種
規格閥門的工作溫度均為302．4℃ ，工作壓力均為
36．3 MPa，入口管及出口管尺寸均為 457 mm×
47．5 mm，旁路管子尺寸0355．6 mm×36 mm，管
子材料WB36。
(2)電動給水泵及汽動給水泵用WB36材料高
溫高壓鍛鋼閥門參數 閥門型號和規格分別為：①
Z9D60Y5O0w36—300，公稱壓力為50．0 MPa，公稱
直徑300 mm。②Z9D60Y500W36—350，公稱壓力為
50．0 MPa，公稱直徑350 mm。2種閥門的工作溫
度均為302．4℃ ，工作壓力均為4O．92 MPa，電泵出
口管尺寸(人口／出口)為O355．6 mln×45 ram／
0355．6 minx 36 mm。汽泵出口管子尺寸(入口／
出口)為 457 mm×60 ram／O457 mm×47．5 mm。
管子材料WB36。
2 WB36鋼的力學性能
根據德國vd．TUV377規范，WB36鋼的金相
組織為貝氏體+鐵素體(貝氏體質量分數4O ～
6o )，晶粒度7．0。其化學成分為 (c)≤0．17 ，
訓(Mn)一0．80 ～ 1．20％ ，叫(S)≤ 0．020 ，
訓(P)≤0．025 ，訓(Si)≤ 0．25 ～0．50 ， (Cr)
≤0．30 ，訕(Mo)： 0．25 ～ 0．5O％ ，叫(Ni)===
1．00 ～1．30 ， (A1)≤ 0．050 ， (Nb)一
0．015 t0．045 ， (Cu)一0．50 ～ 0．80 。力
學性能為：R ≥610～780 MPa，R I ≥440 MPa，A≥
20 ，z≥17％ ，A K、，≥ 27 j。按GB／T 10561中JK
評級圖評級，其中A、B、C、D各類非金屬夾雜物分
別不大于1．5級。
WB36鋼鍛件的金相組織為貝氏體+鐵素體
(貝氏體質量分數5O％ ～60 )，晶粒度7．0～8．0。
鍛件的化學成分訓(C)：0．14 ，叫(Mn)一1．O9，
(S)一0．016 ，tc，(P)= 0．014 ， (Si)： 0．40 ，
訓(Cr)一0．05 ，訓(Mo)= 0．36 ，7．O(Ni)：
1．28 ，叫(A1)一0．020 ， (Nb)= 0．036 ，
w(Cu)一0．55％ 。力學性能：R ≥ 662 MPa，R ≥
528．5 MPa，A一22 ，Z一68．5％ ，AK、，≥ 142．3 J。
按GB／T 10561中JK評級圖評級，其中A、B、C類
非金屬夾雜物分別為0級，細系D級非金屬夾雜物
為1．5級，粗系D級非金屬夾雜物為0．5級。
3 閥門研制
3，1 閥門的結構特點
WB36鋼由德國開發，許多設計所需數據并未
公布，強度計算、焊接參數和熱處理工藝等數據缺
乏，這給WB36鋼閥門的研制帶來了很大困難。筆
者搜集整理近年來國內外相關專業資料，在對其分
析研究、驗算校核、相互比對的基礎上查閱了大量有
關KSB、SEMPELL、VELAN 等國外公司產品資
料，分析歸納數據，參考ASME標準和日本岡野電
站閥門的成熟技術，綜合有關結構、材料、機加工和
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· 18· 石油化工設備 2008年第37卷
焊接等方面的資料，對閥體結構不斷進行改進，最終
使閥體結構和強度性能更加合理，提高了閥門的安
全性和可靠性。
WB36鋼閥門研制最關鍵的是閥體、閥蓋、閘板
及閥座等承壓件的鍛造，其數量大，品種多，尺寸大
小相差懸殊，質量最大的可達6 t，而最小的的僅
20 kg左右。若進口國外鍛件，交貨時間長且價格
高，直接影響合同交貨期。河南開封高壓閥門有限
公司的技術人員利用國內特鋼生產的條件，通過分
析閥體三通結構特點，針對WB36生產情況，制定
了整套技術路線和技術措施。閥體采用整體自由鍛
造，與KSB、SEMPELL等國外公司分體鍛造后再
焊接的方式相比質量更可靠。WB36鋼閥門鍛造用
鋼錠采用先進的真空電弧爐生產，鍛件最終熱處理
為960℃ 正火和640℃ 回火。
WB36閥門主要結構和特點：① 閥體整體自由
鍛造，強度高，可靠性好，外表光滑美觀。② 閥門自
密封環采用增力型密封環結構，減少了預緊螺栓的
預緊力，使中腔自密封更容易實現。③ 填料采用蝶
式增強+編織柔性石墨組合填料，該結構填料預緊
力小，能承受的密封壓力大，密封性好，不易被擠壓
潰散。④預緊螺栓和體架連接，螺栓為防剪應力結
構，提高了螺栓強度，也便于裝配和拆卸。⑤ 閘板上
設計卸壓孔。⑥導軌及導軌槽堆焊耐磨材料，保證
了閥門快速開、關的耐磨要求。
3．2 無損檢測
WB36鋼鍛件按美國ANSIB16．34—2005進行
超聲波、磁粉和滲透檢測。其中閥體、閥蓋、閘板、閥
座、四開環以及墊環分別按ANSI／ASME B16．34—
2005強制附錄Ⅳ E2．1條和ANSI／ASME B16．34—
2005強制附錄ⅡC2．2條進行超聲波、磁粉檢測；閥
桿、螺栓、螺母按ANSI／ASME B16．34—2O05強制附
錄IV E2．1條進行超聲波檢測；依據ANSI／ASME
B16．34—2o05強制附錄Ⅱ D2．2條檢驗閘板密封
面、閥座密封面和閥蓋上密封面。
以上各項檢驗結果以無超出上述標準規定的缺
陷范圍為合格。
3．3 結構強度計算
(1)許用應力 閥門閥體、閥蓋和閘板屬于承壓
零件，但與容器又有不同，這些部件具有開啟、關閉
和密封功能。鑒于閥門所具有的特殊性，將DL／
：'T5054—1996~火力發電廠汽水管道設計規定》附錄
A．4，常用德國鋼材的許用應力表中的數值適當修
正，確定閥門承壓件的許用應力。
(2)溫度一壓力基準 WB36鋼材料為德國首先
開發的材料，但無統一的WB36鋼閥門的溫度一壓力
表，且德國WB36鋼閥門的溫度一壓力表與中國標準
中的溫度一壓力表基準點不同。經分析KSB．SEM—
PELL等國外幾家公司WB36材料溫度一壓力表數
據，結合國內低合金鋼溫度一壓力表，經過精確的比
較和推算，仿國內溫度一壓力表編制了《WB36—
15NiCuMoNb5一1．6368溫度壓力基準表》。
(3)強度 以核級標準要求對閥體按照第四強
度理論設計，對三通部位按德國蒸汽鍋爐技術規程
TRD一301《承受內壓圓筒》進行壓力面積法計算，
對閥體進行了常溫、高溫工況應力應變有限元分析。
閥座、閥蓋、閘板、閥桿等零件參考日本岡野電站閥
門技術進行強度分析及計算。
3．4 焊接工藝及其評定
WB36鋼閥門焊接部位有閥體一閥座、閥座密封
面、閘板密封面和中腔自密封等。
因WB36鋼低碳且加有Cu、Ni、Mo和微量的
鈮，其強化方式之一是通過鈮微合金化使晶粒細化
實現，焊接線能量過大將出現晶粒粗化且焊接過渡
區軟化，導致WB36強度大幅度下降。故WB36鋼
焊接成為關鍵技術之一，其焊接質量直接關系到閥
門能否長期安全地穩定運行。
WB36鋼閥門的焊接不僅有連接焊還有密封面
堆焊。因此，按ASME規范對WB36鋼制定了手工
電弧焊、WB36+stellite6堆焊、WB36+A307堆焊
等焊接工藝并分別對其進行了焊接工藝評定。
(1)WB36手工電弧焊工藝評定 試板規格
400 mm×140 mm×40 mm，手工電弧焊工藝評定
試板和試樣的檢測及試驗按ASME IX 中QW一
191．2．2(射線檢測)、QW一153．1(拉伸)、QW一163
(側彎)、QW195．2．2(滲透檢測)進行。試樣各項技
術指標均達到標準規定要求的為合格。
WB36手工電弧焊焊接工藝：焊前預熱260℃ ，
層間溫度150~200℃ ，采用多層多道焊，中間設有
退火焊道。手工電弧焊時，所有焊道的厚度不得超
過焊條直徑，寬度不得超過焊條直徑的4倍，所有焊
道的焊接線能量均不得超過20 kJ／cm[1]。當焊接
過程中斷或焊后不能及時做熱處理時，立即進行后
熱處理，后熱處理的溫度為300℃ ，保溫1 h。焊后
熱處理以不大于150℃ ／h的速度升溫，在(630±
10)℃保溫，保溫時間不小于2 h。
(2)stellite6堆焊工藝評定ⅥB36鋼試板規格
130 mmN 55 mm×30 mm，堆焊寬度25 mm，焊層
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第5期 孟新凌，等：1 000 MW 超臨界火電機組用WB36鋼閥門研制
厚度3 mm。其工藝評定試板和試樣的檢測按
ASME IX節Qw195．2．2要求進行滲透檢測，試樣
技術指標達到標準規定要求的為合格，硬度不小于
42 HRC。
堆焊層合金成分是決定堆焊效果的主要因素，
降低稀釋率是堆焊工藝的目標之一，手工堆焊時采
用多層多焊道，任一焊道的焊接線能量均不得超過
20 kJ／cm，層間溫度控制在150~200℃ 。采用小電
流及適當的焊接速度，以獲得小的焊接線能量。焊
后熱處理以不大于150℃ ／h的速度升溫，在(630-L-
10)℃保溫，保溫時間不小于2 h。
(3)A307堆焊工藝評定 WB36鋼試板規格為
130 mm×55 mii1×30 mm，焊接寬度25 mm，焊層
厚度3 ITlm。其工藝評定試板和試樣的檢測按
ASME IX節QW195．2．2要求進行滲透檢測，試樣
技術指標達到標準規定要求的為合格。
在WB36鋼表面堆焊A307對于閥門中腔自密
封處具有防腐功能，盡量降低稀釋率是堆焊工藝的
要求之一[2]。手工堆焊時采用多層多焊道，所有焊
道的焊接線能量均不得超過20 kJ／cm，層問溫度控
制在150~200℃ 。采用小電流及適當的焊接速度，
以獲得小的焊接線能量。堆焊后的熱處理以不大于
l50℃／h的速度升溫，在(630±10)℃保溫，保溫時
間不小于2 h。
對wB36鋼工藝試板分別進行滲透檢測和宏
觀檢驗，試樣的各項技術指標均達到標準規定要求
的判定為合格。
3．5 質量控制和檢驗
為保證超臨界火電機組用WB36鋼閥門的質
量，編制了專門的質量控制程序，提出了從原材料、
鍛件進廠到成品出廠整個過程的控制要求。內容包
括見證項目、見證要求、見證類型、檢查百分比、執行
標準和記錄形式等。
承壓件等關鍵零件的化學成分、金相組織、晶粒
度、非金屬夾雜物、力學性能、熱處理工藝、焊接工
藝、超聲波檢測、磁粉檢測、所有零件尺寸檢查、零部
件清洗、裝配、性能試驗(性能試驗包括殼體試驗
100 、密封試驗100 、動作試驗100 0A )以及防銹
涂漆均按照文件見證R或現場見證w 方式執行。
除此之外，對此訂單閥門所采用的其它材料按《進貨
物資檢驗規范》進行了相應的檢驗和驗證，在確保完
全合格后投人生產制造。
生產制造過程是保證產品質量的關鍵環節，因
此按照質量控制程序要求對各工序實施監控，對重
點工序中腔自密封加工、焊接、熱處理等相關參數實
施不問斷跟蹤，并填寫相應的閥門零件加工質量記
錄、閥門焊接和熱處理記錄。
3．6 閥門性能試驗
按照ASME B16．34標準在相應的閥門性能試
驗機上對閥門進行殼體強度試驗、密封試驗、開啟與
關閉動作性能試驗和檢驗。試驗溫度為室溫，介質
為含防腐蝕劑水。
(1)殼體強度試驗 按照在1．5倍公稱壓力、
3 rain內肉眼無可見滲漏的試驗標準，公稱壓力為
45．0 MPa的閥門殼體強度試驗壓力為67．5 MPa，
公稱壓力為50．0 MPa的閥門殼體強度試驗壓力為
75．0 M Pa。
(2)密封試驗 按1．1倍公稱壓力、2 min內肉
眼無可見滲漏的試驗標準，計算得到的公稱壓力
45．0 MPa閥門的密封試驗壓力為49．5 MPa，公稱
壓力50．0 MPa閥門的密封試驗壓力為55．0 MPa。
(3)開啟、關閉動作試驗 按操作平穩、可靠的
試驗標準進行試驗。
4 結語
研制的1 000 Mw 超臨界火電機組主給水和高
壓加熱器系統用高溫高壓整體WB36鍛鋼閘閥已
成功運行，解決了超臨界火電機組幾大系統中閥門
的國產化難題，結束了國外大型閥門企業對該領域
的技術壟斷和產品壟斷。
參考文獻：
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機械工程與自動化，2007，26(3)：71—76．
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造，2007，51(3)：51—52．
(杜編)
正
本刊2008年No．4第85頁“旋風分離系統改
進”一文的作者(英文部分)應為TAN Min ，
HUANG Wei—dong ，HE Yu—ying ，特此更正。
《石油化工設備》雜志社
二oO八年八月十二日

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