韓 凱，張起欣，張贊牢

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系， 重慶 401331)

雙向高液位緊急切斷閥設(shè)計(jì)技術(shù)研究

韓 凱，張起欣，張贊牢

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系， 重慶 401331)

由于受目前國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)滯后和設(shè)備技術(shù)水平限制，國(guó)內(nèi)運(yùn)加油設(shè)備尚未配備帶緊急切斷功能的專用進(jìn)出油閥門，大部分車輛未安裝高液位保護(hù)裝置(除飛機(jī)加油車以外)。針對(duì)這種現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種具備油料進(jìn)出控制、緊急切斷和高液位保護(hù)功能為一體的雙向緊急切斷高液位控制閥。該閥門的研制可以增加運(yùn)加油裝備的安全性，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制條款要求，填補(bǔ)該裝置的國(guó)內(nèi)研究空白。

緊急切斷；高液位保護(hù)；閥體

Abstract: The current domestic standards lag and the technical level of equipment are limited, and domestic refueling equipment are not equipped with emergency cut off function and the temperature exceeded the emergency cut off function of the dedicated oil valve, and most vehicles were not equipped with a high level of protection devices (except aircraft refueling vehicles). Aiming at the present situation, we design one of the two-way emergency cut off the high level control valve with oil import control, emergency shut-off and high level protection functions. The development of the valve can greatly increase the safety of oil equipment, and meet the national standard requirements of mandatory provisions, and fill the blank of the device.

Keywords: emergency cut-off; high level protection; valve body

雙向高液位緊急切斷閥是一種安裝于運(yùn)加油裝備油罐底部或尾部，作為油料進(jìn)出油罐的主要通道的控制閥門。該閥是根據(jù)2012年我國(guó)頒布的《QCT 932-2012 道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車輛緊急切斷閥》[1]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而提出的一種新型運(yùn)加油車底閥，其研制可以解決運(yùn)加油裝備油料進(jìn)出油罐分設(shè)2條獨(dú)立通道、采用高液位控制閥與底閥分別控制導(dǎo)致的工藝流程復(fù)雜的問(wèn)題。隨著?；愤\(yùn)輸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，雙向高液位緊急切斷閥的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，需求也將越來(lái)越大。

目前，國(guó)外為保障?；瘜W(xué)品運(yùn)輸安全，制定了相應(yīng)的法律、法規(guī)，并根據(jù)法規(guī)相關(guān)規(guī)定要求，開(kāi)發(fā)研制了配套產(chǎn)品，同時(shí)頒布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?！禘N 13308危險(xiǎn)品運(yùn)輸槽罐車—槽罐車的輔助設(shè)備—非壓力平衡底閥》和《EN 1316危險(xiǎn)品運(yùn)輸槽罐車—槽罐車的輔助設(shè)備—壓力平衡底閥》[2]等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制作、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等進(jìn)行了規(guī)范。國(guó)外使用的底閥主要有壓力平衡式和非壓力平衡式2大類型，主要由閥體、驅(qū)動(dòng)氣缸、閥芯、易熔保護(hù)裝置等組成，可利用氣動(dòng)、液壓或機(jī)械方式控制其啟閉。典型產(chǎn)品有ALFONS HAAR公司的DN80、DN100系列底閥、OPW的各類底閥系列。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有具備油料進(jìn)出控制、緊急切斷和高液位保護(hù)功能于一體的雙向緊急切斷高液位控制閥，只具備功能單一的底閥和高液位控制閥?，F(xiàn)將雙向高液位緊急切斷閥相關(guān)設(shè)計(jì)分析如下。

1 雙向高液位緊急切斷閥的一般設(shè)計(jì)要求

雙向高液位緊急切斷閥工作條件十分惡劣，其工作介質(zhì)大部分為易燃易爆、腐蝕性較強(qiáng)的?；?，其使用過(guò)程中還要適應(yīng)干旱、潮濕、高低溫等惡劣環(huán)境。除此之外，雙向高液位緊急切斷閥還應(yīng)具有良好的通用性，因此雙向高液位緊急切斷閥的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與其他閥門有著較大的區(qū)別。根據(jù)閥門的相應(yīng)工況，對(duì)設(shè)計(jì)主要提出以下要求。

1.1 作業(yè)功能

雙向緊急切斷高液位控制閥具備油料進(jìn)出控制、高液位控制、緊急切斷和超溫自動(dòng)關(guān)斷控制功能，可氣動(dòng)或手動(dòng)啟閉。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

適用介質(zhì)：汽油、柴油、煤油等輕質(zhì)油品。

公稱直徑：DN65、DN80、DN100、DN150。

公稱壓力：1.0 MPa。

閥前壓力0.5 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)最大流量：

50 m3/h、95 m3/h、150 m3/h、300 m3/h。

緊急切斷閥開(kāi)啟氣源壓力：0.40～40.70 MPa。

高液位功能最小開(kāi)啟壓力：≤0.08 MPa。

高液位功能閥門關(guān)閉時(shí)間：≤10 s。

緊急切斷功能閥門關(guān)閉時(shí)間：≤2 s。

超溫自動(dòng)保護(hù)溫度：75±5 ℃。

1.3 自然環(huán)境適應(yīng)性要求

適應(yīng)環(huán)境溫度：-41～46 ℃。

抗鹽霧腐蝕能力：能抵抗沿海地區(qū)使用中的鹽霧腐蝕環(huán)境條件的有害影響。

抗淋雨能力：能耐受降雨強(qiáng)度6 mm/min、持續(xù)時(shí)間1 h的淋雨。

抗沙塵能力：設(shè)計(jì)上，應(yīng)能降低我國(guó)戈壁沙漠地區(qū)沙塵吹襲環(huán)境條件的有害影響。

1.4 可靠性、維修性、標(biāo)準(zhǔn)化、安全性

可靠性：

25 000次無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作后，仍應(yīng)具有良好的操作性和閥座密封性，經(jīng)閥座密封性試驗(yàn)合格。

維修性：

1) 研制工作應(yīng)遵循GJB368A—1998《裝備維修性通用大綱》的有關(guān)規(guī)定。

2) 基層級(jí)平均修復(fù)時(shí)間≤30 min。

標(biāo)準(zhǔn)化：

1) 研制工作應(yīng)遵循GJB1856A—2008《軍事后勤裝備研制及選型的標(biāo)準(zhǔn)化要求和審查》的有關(guān)規(guī)定。

2) 選裝的機(jī)電設(shè)備，其型譜系列和性能符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)及后勤裝備統(tǒng)型要求。

3) 產(chǎn)品零部件標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)≥0.6。

安全性：

底閥組件上任何一個(gè)可能與危險(xiǎn)介質(zhì)接觸的導(dǎo)電零部件與底閥本體之間的導(dǎo)靜電電阻不得大于106 Ω[3]。

1.5 主要指標(biāo)確定依據(jù)

1.5.1 公稱直徑確定

公稱直徑的確定主要依據(jù)我國(guó)運(yùn)加油裝備油罐進(jìn)出油管道直徑、油料裝備通用技術(shù)條件和國(guó)家、軍隊(duì)相關(guān)油料安全罐裝要求，同時(shí)為今后大流量加油裝備研制預(yù)留發(fā)展空間。

硬質(zhì)輸油管線直徑選取公稱直徑系列為10、20、25、32、40、50、65、80、100、150、200 mm，選取50、80、100、150 mm公稱直徑符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)規(guī)定，汽車油罐車灌裝最大流速不超過(guò)4.5 m/s[4]，計(jì)算各直徑最大灌裝流量如表1所示。

表1 各直徑對(duì)應(yīng)最大灌裝流量

目前，我國(guó)現(xiàn)有裝備最大灌裝流量不超過(guò)150 m3/h，按確定直徑系列，最大灌裝流量為286 m3/h，滿足要求。

因此，確定各種直徑系列滿足要求。

1.5.2 壓力等級(jí)確定

目前我國(guó)現(xiàn)有裝備配備最大揚(yáng)程為飛機(jī)加油裝備揚(yáng)程，為120 m。按照輸送航空煤油計(jì)算，壓力0.96 MPa，壓力等級(jí)確定1 MPa符合要求，同時(shí)也滿足油料裝備通用技術(shù)條件。

1.5.3 最大流量確定

工業(yè)和信息化部頒布的《QC/T—2012道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車輛緊急切斷閥》和歐盟《EN 13316:2002危險(xiǎn)品運(yùn)輸槽罐車—槽罐車的輔助設(shè)備—壓力平衡底閥》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，直徑100 mm緊急切斷閥在閥前壓力為0.5 MPa時(shí)，最大流量不小于150 m3/h。其余口徑最大流量可以參照以上2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)核算流速計(jì)算得出。

1.5.4 緊急切斷閥開(kāi)啟氣源壓力

緊急切斷閥開(kāi)啟氣源一般使用裝備車輛底盤(pán)氣源，裝備車輛底盤(pán)氣源額定壓力為0.7 MPa。底盤(pán)氣源低于0.6 MPa時(shí)，車輛不允許起步，因此確定緊急切斷閥開(kāi)啟氣源壓力為0.4～0.7 MPa。

2 雙向高液位緊急切斷閥關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)計(jì)

在雙向高液位緊急切斷閥設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了需要考慮雙向高液位緊急切斷閥的通用性、基本設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)范等一般性要求外，還需要考慮一些其他指標(biāo)，以便更好地對(duì)雙向高液位緊急切斷閥的技術(shù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。通常通過(guò)衡量閥門關(guān)鍵部位可承載強(qiáng)度是否合理來(lái)對(duì)雙向高液位緊急切斷閥的技術(shù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有以下幾項(xiàng)。

2.1 閥體的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1.1 確定閥體的材質(zhì)

根據(jù)閥門的安裝位置及工作介質(zhì)的性質(zhì)，閥體材質(zhì)定為L(zhǎng)104鑄造鋁合金。閥體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閥體結(jié)構(gòu)

2.1.2 閥體的壁厚設(shè)計(jì)與計(jì)算

對(duì)于脆性材料做成的閥體，其壁厚按第一強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算[5]：

(1)

式中：DN表示閥體中腔最大內(nèi)徑(mm)， 設(shè)計(jì)定DN=95 mm；p表示設(shè)計(jì)壓力，取公稱壓力pN(MPa)，p=1.0 MPa；tB表示考慮附件腐蝕裕量后閥體壁厚(mm)；σL表示材料的許用拉應(yīng)力(MPa)，σL=σb/nb；C表示腐蝕裕量(mm)。

2.2 閥體的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.2.1 確定閥體卸荷槽位置

設(shè)計(jì)卸荷槽的目的是當(dāng)油罐車發(fā)生意外事故,安裝在罐與管道間的閥門受到來(lái)自油罐巨大慣性力或外力作用時(shí),考慮在閥體的適當(dāng)部位斷裂卸荷,以免拉裂油罐底部及閥門的密封部件,造成罐內(nèi)油品外泄，使事故擴(kuò)大化。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，卸荷槽位于閥體上罐端連接法蘭與閥體彎管交界處最為合理。

2.2.2 閥體卸荷槽結(jié)構(gòu)

閥體卸荷槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閥體卸荷槽結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出：Ⅰ-Ⅰ斷面為本零件的危險(xiǎn)端面，因?yàn)樵O(shè)計(jì)取S=5 mm

2.2.3 Ⅰ-Ⅰ斷面破壞壓力P的計(jì)算

根據(jù)薄膜理論，圓柱形的三向應(yīng)力為：環(huán)向應(yīng)力σt=pD/2S、軸向應(yīng)力σz=pD/4S和徑向應(yīng)力σr=0。

根據(jù)第一強(qiáng)度理論(最大主應(yīng)力理論)，當(dāng)量應(yīng)力為σ=σt，所以得：

σ=pD/2S

式中：D為中間面直徑(mm)，D=DN+S，即：p=2Sσ/(DN+S)。

2.3 中口法蘭強(qiáng)度計(jì)算

中口法蘭的結(jié)構(gòu)及受力分析如圖3所示。法蘭設(shè)計(jì)采用6個(gè)M8的螺栓，螺栓材料用1Cr18Ni9Ti鋼[7]。

圖3 閥體中口法蘭的結(jié)構(gòu)和受力

以下計(jì)算主要參照《閥門設(shè)計(jì)入門與精通》[6]所述內(nèi)容，且按常溫設(shè)計(jì)。

2.3.1 螺栓強(qiáng)度計(jì)算

螺栓的總計(jì)算載荷FLZ取(FYJ+XFG)與(FDF+FG)兩者中較大值。

無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)，為了使墊片屈服以產(chǎn)生緊密連接，所必須的預(yù)緊力(N)為

FYJ=πDDPbDSqYJ

(2)

式中：FYJ為預(yù)緊力(N)；DDP為墊片平均直徑(mm)，設(shè)計(jì)取DDP=112 mm；bDS為墊片擠壓的有效寬度(mm)；qYJ為預(yù)緊比壓(MPa)，根據(jù)所選墊片材料而定；有介質(zhì)壓力時(shí)，墊片上必須的密封力(N)為

FDF=2πDDPbDSmDPp

式中：mDP為墊片系數(shù)。

螺栓工作載荷(N)為

(3)

(4)

其中，X為螺栓的外載荷系數(shù)。

螺栓的拉應(yīng)力(MPa)為：

σL1=FLZ/AL≤[σL]1

式中：AL為螺栓總截面積(mm2)； [σL]1為螺栓材料在常溫時(shí)的許用應(yīng)力(MPa)。

2.3.2 法蘭的強(qiáng)度計(jì)算

1) 法蘭的軸向彎曲應(yīng)力(MPa)為

(5)

式中：μ為應(yīng)力校正系數(shù)；MZ為作用在法蘭上的總彎矩(N·mm),按式(6)計(jì)算：

(6)

式中：FNJ為作用在法蘭內(nèi)徑面積上的介質(zhì)靜壓力(N)；按式(7)計(jì)算：

(7)

式中：FDJ為墊片處介質(zhì)靜止時(shí)受力(N)；FD為墊片載荷(N)；FFZ為關(guān)閉時(shí)，閥桿的總作用力(N)，本閥中FFZ=0。

2) 法蘭的徑向彎曲應(yīng)力(MPa)為

(8)

3) 法蘭的環(huán)向彎曲應(yīng)力(MPa)為

(9)

以上3個(gè)彎曲應(yīng)力必須滿足：

σW1≤[σWJ]；σW2≤[σWP]；σW3≤[σWP]。

2.4 凸輪軸的強(qiáng)度校核

手動(dòng)開(kāi)啟閥門時(shí)，凸輪軸受彎矩和扭矩的共同作用。凸輪軸的結(jié)構(gòu)及受力圖如圖4所示。從圖4可得：Ⅰ—Ⅰ斷面為危險(xiǎn)斷面。

1) 危險(xiǎn)斷面的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力τn及彎曲應(yīng)力σw計(jì)算：

(10)

式中：MF表示開(kāi)閥時(shí)，作用于軸上的扭矩(N·mm)，按下式計(jì)算：

MF=FLfρ

式中：FL表示開(kāi)閥時(shí)作用在凸輪上的力(N),即閥門開(kāi)啟力；f表示凸輪與閥桿之間的摩擦因數(shù)；ρ表示凸輪受力點(diǎn)距軸心的回轉(zhuǎn)半徑(mm),設(shè)計(jì)取ρ=10 mm；ws表示抗彎矩截面系數(shù)。

圖4 凸輪軸的結(jié)構(gòu)及受力

2) 強(qiáng)度校核

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[8]得：彎扭聯(lián)合作用時(shí)，合成正應(yīng)力應(yīng)滿足第三強(qiáng)度理論：

(11)

式中： [σ]表示材料的許用應(yīng)力(MPa)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證閥門緊急切斷、高液位關(guān)閥功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)主閥進(jìn)行功能性試驗(yàn)，測(cè)試主閥穩(wěn)態(tài)工況下的性能、緊急切斷和高液位關(guān)閥功能。設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程如圖5所示。

1.過(guò)濾器; 2.真空壓力表; 3.離心泵; 4.壓力表; 5.閘閥; 6.過(guò)濾器; 7.流量計(jì); 8.調(diào)節(jié)閥; 9.壓力表; 10.主閥; 11.壓力表; 12.閘閥; 13.調(diào)節(jié)閥; 14.軟管

圖5 試驗(yàn)流程

進(jìn)行該驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，由于導(dǎo)閥還未生產(chǎn)，為模擬高液位關(guān)閥功能，在主閥上引出一支軟管，外接到高壓水源。打開(kāi)軟管上的閥門，模擬流道切換導(dǎo)閥打開(kāi)，與設(shè)備高液位關(guān)閥功能在原理上相同。試驗(yàn)介質(zhì)采用清水。

通過(guò)試驗(yàn)，當(dāng)閥前壓力達(dá)到0.09 MPa左右時(shí)，主閥能夠依靠流體壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)閥，在穩(wěn)態(tài)工況下工作穩(wěn)定，并沒(méi)有出現(xiàn)震動(dòng)、噪聲等情況，證明了主閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；打開(kāi)軟管上的閥門后，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)關(guān)閥，且關(guān)閥過(guò)程平穩(wěn)，證明高液位自動(dòng)關(guān)閥原理具有可行性；當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)75 ℃時(shí)(由易熔塞控制)閥門自動(dòng)關(guān)閉，且反應(yīng)迅速，閥門關(guān)閉平穩(wěn)，證明了閥門的自動(dòng)關(guān)閥功能可以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

雙向緊急切斷高液位控制閥可取代傳統(tǒng)底閥和高液位控制閥2個(gè)閥門的作用，同時(shí)具備應(yīng)急切斷、環(huán)境溫度超標(biāo)自動(dòng)關(guān)斷、油罐高液位保護(hù)功能。該控制閥已經(jīng)研制成功，目前正推廣使用中。該閥的出現(xiàn)可提高我國(guó)運(yùn)加油裝備油料運(yùn)輸和裝卸油安全性，降低由于油料外泄、冒油等引發(fā)的火災(zāi)、環(huán)境污染等事故，同時(shí)也提高了裝備的維修性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

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(責(zé)任編輯林 芳)

ResearchonDesignTechnologyofBidirectionalHighLevelEmergencyShut-offValve

HAN Kai， ZHANG Qixin， ZHANG Zanlao

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistics Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China )

2017-04-24

韓凱(1992—)，男，山東濱州人，碩士研究生，主要從事石油與天然氣裝備研究，E-mail：308597452@qq.com； 通訊作者 張起欣(1975—)，男，講師，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)裝備研究。

韓凱，張起欣，張贊牢.雙向高液位緊急切斷閥設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(9):73-78.

formatHAN Kai，ZHANG Qixin，ZHANG Zanlao.Research on Design Technology of Bidirectional High Level Emergency Shut-off Valve[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):73-78.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.012

TE976

A

1674-8425(2017)09-0073-06