高 楊, 段淼淼, 何 睿, 韓英杰

(1.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司， 北京 100076；2.中國(guó)石油 撫順石化公司, 遼寧 撫順 113006)

TSG ZF001—2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]規(guī)定，安全閥一般每年需至少校驗(yàn)1次。然而對(duì)于某些重要的生產(chǎn)裝置，由于過(guò)程控制或其他原因必須連續(xù)運(yùn)行，因此需要將2臺(tái)安全閥同時(shí)在線運(yùn)行，并在安全閥的進(jìn)口處安裝切換閥，使其始終處于1開(kāi)1備的狀態(tài)，從而無(wú)需停車(chē)即可對(duì)安全閥進(jìn)行在線檢修或更換[2]。

安全閥常用切換閥有雙截止型切換閥與旋轉(zhuǎn)切換閥，其中旋轉(zhuǎn)切換閥具有流阻小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊及便于安裝的優(yōu)點(diǎn)，在煉油、石化、空分、多晶硅等行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)較小的流阻、可靠的密封及便捷的切換，旋轉(zhuǎn)切換閥的流道結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)和切換結(jié)構(gòu)等需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)[3]。

1 旋轉(zhuǎn)切換閥工作原理及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

旋轉(zhuǎn)切換閥需與安全閥組裝后方能使用，二者組裝整體示意見(jiàn)圖1。工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)切換閥的2個(gè)出口法蘭分別與2臺(tái)相同的安全閥連接。

圖1 旋轉(zhuǎn)切換閥與安全閥組裝整體示圖

每臺(tái)安全閥閥體側(cè)孔與旋轉(zhuǎn)切換閥閥體側(cè)孔間連接泄出閥，用于排出殘存在旋轉(zhuǎn)切換閥閥座處的介質(zhì)。平衡閥連通切換閥的兩側(cè)腔體，具有均衡閥瓣兩側(cè)的壓力和消除閥瓣兩側(cè)壓力差的作用，便于進(jìn)行切換操作。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)切換閥的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。壓緊螺套、調(diào)整螺套、閥桿、轉(zhuǎn)子及閥瓣等形成一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)部件。

圖2 旋轉(zhuǎn)切換閥整體結(jié)構(gòu)

進(jìn)行切換動(dòng)作時(shí)，旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺套使之向下帶動(dòng)壓緊螺套壓迫鋼珠，鋼珠作用在閥桿上，使閥桿向下帶動(dòng)轉(zhuǎn)子向下運(yùn)動(dòng)，將閥瓣與閥座分離。當(dāng)轉(zhuǎn)子下端下降到底座下方的周向溝槽時(shí)，轉(zhuǎn)子可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。將指示器旋轉(zhuǎn)180°，帶動(dòng)閥桿、轉(zhuǎn)子和閥瓣構(gòu)成的整體運(yùn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)到另一側(cè)，旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺套，帶動(dòng)整體運(yùn)動(dòng)部件向上移動(dòng)，使閥瓣與另一側(cè)閥座閉合，完成切換。

2 旋轉(zhuǎn)切換閥流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)API RP 520—2015《煉油廠泄壓裝置的定徑、選擇和安裝》[4]，當(dāng)安全閥的進(jìn)口處連接配置有切換裝置時(shí)，切換裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)使其最小流通面積等于或大于安全閥的進(jìn)口面積，并保證安全閥進(jìn)口與被保護(hù)壓力容器間不可恢復(fù)的壓力損失不超過(guò)整定壓力的3%。

流體流經(jīng)閥門(mén)造成的壓力損失通常以閥門(mén)的流阻系數(shù)表征。閥門(mén)的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響閥門(mén)的流阻系數(shù)。旋轉(zhuǎn)切換閥的流道可以簡(jiǎn)化為幾段管道元件，分別計(jì)算每段元件的流阻系數(shù)，總和就是閥門(mén)的流阻系數(shù)。管道元件的流阻系數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)和ISO 4126-1—2013《安全裝置超壓保護(hù)》[5-7]。旋轉(zhuǎn)型切換閥的實(shí)際流阻系數(shù)可以依據(jù)JB/T 5296—1991《通用閥門(mén) 流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)方法》測(cè)試及計(jì)算[8-11]。運(yùn)用ISO 4126-1—2013《安全裝置超壓保護(hù)》附錄C 中的計(jì)算方法計(jì)算旋轉(zhuǎn)切換閥流道的流阻系數(shù)，且與實(shí)際工況較為吻合[12]。

2.1 結(jié)構(gòu)模型

為方便設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)旋轉(zhuǎn)切換閥的流道進(jìn)行簡(jiǎn)化，見(jiàn)圖3。簡(jiǎn)化后，流道由2段彎管和3段直管平順連接而成，分別標(biāo)記為彎管1、彎管2、直管1、直管2和直管3。

圖3 旋轉(zhuǎn)切換閥的流道簡(jiǎn)化模型

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

依據(jù)ISO 4126-1—2013《安全裝置超壓保護(hù)》附錄C計(jì)算流阻系數(shù)。對(duì)于直管，流阻系數(shù)ξ為管道的沿程阻力系數(shù)λ與管道的等效長(zhǎng)度L/d的乘積。計(jì)算公式如下：

ξ=λL/d

其中

式中，Rm為粗糙度，d為管道直徑，L為管道長(zhǎng)度，mm。

對(duì)于彎管，流阻系數(shù)需分情況計(jì)算。當(dāng)δ≠90°時(shí)，可用如下公式計(jì)算。

當(dāng)彎管的中心角δ=90°時(shí)，可直接查表獲得ζ值。彎管流阻系數(shù)ζ(δ=90°)見(jiàn)表1。

表1 彎管流阻系數(shù)ζ(δ=90°)

3 旋轉(zhuǎn)切換閥密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)切換閥的閥瓣需與兩側(cè)閥座均配合密封，因此閥瓣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需保證閥瓣能有一定自由度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找正，彌補(bǔ)閥瓣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成的位置偏差。

為實(shí)現(xiàn)閥瓣的自動(dòng)找正，對(duì)閥瓣與轉(zhuǎn)子的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4。閥瓣進(jìn)入轉(zhuǎn)子后螺紋脫扣，使閥瓣在一定范圍內(nèi)可以自由活動(dòng)。閥瓣的球形面受轉(zhuǎn)子斜面的推力，閥瓣與轉(zhuǎn)子的導(dǎo)向面有微小的間隙，可有一定的自由度，實(shí)現(xiàn)自行找正。閥瓣的螺紋進(jìn)入轉(zhuǎn)子螺紋后脫開(kāi)，既保證了閥瓣在密封找正時(shí)能靈活擺動(dòng)，又保證在閥瓣切換時(shí)留在轉(zhuǎn)子中不脫落。

圖4 轉(zhuǎn)子與閥瓣連接處局部結(jié)構(gòu)示圖

圖4中閥座與閥瓣區(qū)域的密封采用軟密封塊結(jié)構(gòu)，也可根據(jù)不同的工況和密封要求選擇O型圈或者金屬環(huán)等結(jié)構(gòu)[13]。初始密封時(shí)，閥座內(nèi)的氣壓和閥瓣背面的氣壓相同，轉(zhuǎn)子在閥桿的帶動(dòng)下，帶動(dòng)閥瓣貼緊閥座。通過(guò)泄出閥泄放出閥座內(nèi)的殘余氣體后，閥瓣背面的氣壓高于閥座內(nèi)的氣壓，在壓差的作用下，閥座與閥瓣間的密封更加可靠。

4 旋轉(zhuǎn)切換閥切換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)切換閥傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。旋轉(zhuǎn)指示器通過(guò)螺釘緊固在閥桿頂端，可顯示閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而指示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，指示器最終指向在用的安全閥。鎖緊螺套與調(diào)整螺套通過(guò)螺紋相連接，由于鎖緊螺套與調(diào)整螺套相連的螺紋為左旋螺紋，因此當(dāng)調(diào)整螺套上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，鎖緊螺套始終與調(diào)整螺套一起運(yùn)動(dòng)。鋼珠位于鎖緊螺套、調(diào)整螺套及閥桿形成的凹槽內(nèi)，將調(diào)整螺套的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為閥桿的垂直運(yùn)動(dòng)。鋼球是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的傳動(dòng)部件，必須保證其承受的載荷小于GB/T 308—2002《滾動(dòng)軸承 鋼球》[14]中推薦的鋼球壓碎載荷。

圖5 閥桿及與傳動(dòng)相關(guān)零件局部裝配簡(jiǎn)圖

4.2 軌道結(jié)構(gòu)

當(dāng)實(shí)現(xiàn)切換功能時(shí)，閥瓣將旋轉(zhuǎn)180°到正對(duì)的另一側(cè)的閥座位置，這樣才能保證閥瓣和閥座的密封。為了使閥瓣順利旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，在轉(zhuǎn)子下端裝入一個(gè)軌道螺釘，在底座上為軌道螺釘設(shè)計(jì)2個(gè)垂直軌道和1個(gè)半圓的周向軌道，見(jiàn)圖6。

轉(zhuǎn)子上的軌道螺釘軌道位于垂直軌道內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)子只能沿軌道上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軌道螺釘從垂直軌道脫出后，轉(zhuǎn)子可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°到正對(duì)的另一側(cè)閥座位置后，轉(zhuǎn)子才可沿該側(cè)的垂直軌道向上運(yùn)動(dòng)，確保閥瓣正對(duì)另一側(cè)閥座。與軌道球閥原理相似，旋轉(zhuǎn)切換閥的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了切換時(shí)密封面脫離接觸后才轉(zhuǎn)動(dòng)，因此啟閉過(guò)程中閥體與閥座為無(wú)摩擦操作，有效地解決了密封面磨損問(wèn)題[15]。

圖6 底座軌道結(jié)構(gòu)示圖

5 結(jié)語(yǔ)

介紹了旋轉(zhuǎn)切換閥的工作原理和整體結(jié)構(gòu)，從旋轉(zhuǎn)切換閥的流道結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開(kāi)分析。通過(guò)簡(jiǎn)化旋轉(zhuǎn)切換閥流道，運(yùn)用ISO 4126-1—2013《安全裝置超壓保護(hù)》工程算法快速計(jì)算流道的流阻系數(shù)，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足API RP 520—2015《煉油廠泄壓裝置的定徑、選擇和安裝》要求的具有較低流阻系數(shù)的流道結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)閥瓣與轉(zhuǎn)子為大小圓弧結(jié)構(gòu)，使閥瓣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找正，從而彌補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置偏差，實(shí)現(xiàn)較好的密封。設(shè)計(jì)緊湊的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，用旋轉(zhuǎn)指示器指示旋轉(zhuǎn)方向，通過(guò)鋼珠將調(diào)整螺套的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為閥桿的垂直運(yùn)動(dòng)，并以底座的軌道限制轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向，從而可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的切換。上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使旋轉(zhuǎn)切換閥具有較低的流阻系數(shù)、良好的密封性能和動(dòng)作性能，滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)際應(yīng)用的需求。