羅利梅

(廣東明珠流體機械有限公司，廣東 興寧 514500)

傳統(tǒng)的試水閥結(jié)構(gòu)上基本是一位式兩端接口螺紋直通球閥，形成一管多閥蜘蛛網(wǎng)式渠道，且大多數(shù)球閥的閥座與球體接觸密封面大太，存在啟閉力矩大。密封性能差及管道安裝應(yīng)力的影響大大增加了啟閉力矩或者造成泄漏，從而縮短了球閥的使用壽命。

消防末端試水閥是一種新型，應(yīng)用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新理念，采用內(nèi)螺紋T型三通結(jié)構(gòu)，與壓力表、水力警鈴、測流儀、試水噴嘴配套組合成末端試水裝置，可以快速檢測整個消防系統(tǒng)運行狀況。

1 結(jié)構(gòu)特點及工作原理

1.1 主要構(gòu)件

消防末端試水閥的主要構(gòu)件，如圖1所示。主要部件為：閥體 1，球體 2，閥座 3，端蓋 4，蓋接頭 5，閥桿6，密封環(huán)7，V形填料8，螺套9，定位板10，彈簧墊圈11，壓緊螺母12，倒密封墊13，鎖塊14，拉伸彈簧15，O形圈16，窺視鏡17，緊定螺釘 18，鉚釘19，手柄裝置20。

圖1 消防末端試水閥主要構(gòu)件

1.2 消防末端試水閥的工作特點及工作原理

（1）消防末端試水閥通過手動或電動方式來控制末端試水裝置的開啟或關(guān)閉。其設(shè)計成五個接口：接口1是進水口，與消防管網(wǎng)連接；接口2是測流口，與水流指示器或測流儀連接；接口3是報警口，與水力警鈴連接；接口4是測試口，與檢測管/（件）或試水噴嘴連接；接口5是用于連接壓力開關(guān)和壓力表。

（2）閥門開關(guān)動作時，拉動鎖塊14，手動裝置20中的手柄順時針方向旋轉(zhuǎn)90°，球體2做開啟動作；手柄裝置20的軸線方向與球閥軸線方向垂直，球閥處于全開狀態(tài)，如圖2中（1）的位置，接口1至接口5全通、實現(xiàn)一位三通的理想狀態(tài)，可以快速檢測消防系統(tǒng)運行；當(dāng)手動裝置20中的手柄再作順時針方向旋轉(zhuǎn)90°，球體2轉(zhuǎn)動；手柄裝置20軸線方向與球閥軸線方向同一反水平線時，球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖2中（2）位置，接口1至接口3關(guān)閉；當(dāng)手動裝置20中的手柄再順時針方向旋轉(zhuǎn)90°，球體2轉(zhuǎn)動；手柄裝置軸線方向20與球閥軸線方向反垂直時，球閥處于半關(guān)閉狀態(tài)，如圖2中（3）位置，接口4關(guān)閉，可以測試消防管道的壓力和測流儀；當(dāng)手動裝置20中的手柄再次按順時針方向旋轉(zhuǎn)90°，球體2轉(zhuǎn)動；手柄裝置20軸線方向與球閥軸線方向同一水平線時，球閥處于半關(guān)閉狀態(tài)，如圖3中（4）位置，關(guān)閉接口5，鎖塊14鎖緊手柄裝置20，這樣可以檢修或更換壓力表。

圖2 閥門開關(guān)動作時球體的位置圖

2 設(shè)計技術(shù)方案

消防末端試水閥為內(nèi)螺紋T型三通浮動球直通球閥，在設(shè)計中，其主要零件部件材料為：閥體材質(zhì)采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼或黃銅，閥桿材質(zhì)為2Cr13、304、316，球體材質(zhì)A105、304、F316。閥門的設(shè)計泄漏量符合GB/T13927的規(guī)定。

倒密封墊、V型填料、密封環(huán)和閥座是采用高密度分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)PTFE粉末與玻纖的合成，其具有自密封性能，因為閥座嵌在端蓋、閥體內(nèi)，當(dāng)流體從通道一端流向垂直的一端時，流體壓力在球體上所產(chǎn)生的反沖力將球體壓向閥座，使通道另一端保持密封。在介質(zhì)壓力較小時呈線性密封，所需密封力很小，此時靠裝配時的預(yù)緊力即可保證雙向密封。隨著介質(zhì)壓力的升高，密封力增大，密封性能因而得到保證。同時，閥座發(fā)生彈性變形，使座環(huán)與球體的接觸面也隨之增大，它們之間的比壓降低，減小了開閉時的磨損，延長閥門的使用壽命。

為確保球體與閥座形成良性密封，閥座與球體形成完整的雙斜面密封副，雙斜面密封副為雙α角設(shè)計，α角為15～45°。如圖3所示。

圖3 閥座與球體形成雙斜面密封副

3 計算與驗證

為了保證閥門的密封性能、操作性能以及延長使用壽命，需對閥體壁厚、閥芯和閥桿等進行計算和驗證。

3.1 閥體壁厚

計算厚度 ：S'B={1.32P·D/2[σL]-1.2P}+C

式中，

P為設(shè)計給定的壓力，MPa；

D為閥體內(nèi)腔的最大直徑（設(shè)計給定），mm；

σL為許用拉應(yīng)力（查表）,MPa；

C為腐蝕余量（按推薦值選?。?，mm。

閥體實際壁厚SB可以通過查表法（ASME B 16.34或GB/T1224）與計算壁厚S'B相對比,滿足SB＞S'B產(chǎn)品符合設(shè)計要求。

3.2 球閥直徑

球體最小直徑:Dos=Ds2+DN2

式中，

Ds為密封面外徑(計算可得)，mm；

DN為密封面外徑(計算可得)，mm。

球體通道計算長度L：L'=D02-DN2（其中，Do為球體實際直徑（設(shè)計選定），mm；L為球體通道實際長度（設(shè)計選定），mm。

滿足：Do＞Dos，L＜L'的要求

3.3 密封面的總作用力及計算比壓

密封面總作用力：QMZ=QMJ

流體靜壓力在閥座密封的力：QMJ=0.785(DMNbm)2·P

式中，

DMN為密封面內(nèi)徑（設(shè)計給定），mm；

bm為密封面介質(zhì)流向投影寬（設(shè)計給定），mm；

P為設(shè)計給定的壓力，MPa。

密封面正應(yīng)力N：N=QMJ/cosψ（其中，ψ為密封面法向與流道中心夾角密封面必須比壓)。

密封力(必須)：QMF=π(DMN+bm)t·qMF

式中：

t為密封面寬度，mm；

QMF為密封面必須比壓密封面必須比壓，mm。

密封面計算比壓:q=N/π(DMN+bM)t

根據(jù)密封比壓原理可知，如果要實現(xiàn)密封必須滿足：QMF＜QMZ，qb燮q＜[q]的要求，通過合理的設(shè)計與計算，參數(shù)滿足要求。

3.4 閥桿總轉(zhuǎn)矩及強度驗算

（1）總轉(zhuǎn)矩M：M=Mm+Mt+Mu

式中，

Mm為球體與閥座密封圈間的摩擦轉(zhuǎn)矩（計算可得），N.mm；

Mt為閥桿與填料間的摩擦總轉(zhuǎn)矩計算可得），N.mm；

Mu為軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩計算可得），N.mm。

（2）閥桿斷面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 τN：τN=M/W，MPa

式中，

M為總轉(zhuǎn)矩，N.m；

W為斷面處的抗扭斷面系數(shù)，mm3。

（3）許用扭應(yīng)力[τN]，MPa

如果要實現(xiàn)閥桿的強度滿足設(shè)計要求，必須符合τN＜[τN]的要求，通過合理的設(shè)計與計算，參數(shù)滿足要求。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計計算驗算和實際運用，消防末端試水閥廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)場所、石油石化行業(yè)、冶金行業(yè)、風(fēng)電行業(yè)和建筑行業(yè)中，安裝在消防系統(tǒng)、消防供水設(shè)備管網(wǎng)或分區(qū)管網(wǎng)的末端，用于檢驗自動噴水滅火系統(tǒng)運行狀況。

[1]洪勉成，陸培文，高鳳琴.閥門設(shè)計計算手冊[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994.

[2]陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.

[3]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[4]章華友.球閥設(shè)計與選用[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社，1994.