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        淺析金屬密封軌道球閥在消防系統(tǒng)中使用的可靠性

        2021-08-06 07:07:34
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:手輪閘閥閥桿

        馬 磊

        (新疆克拉瑪依市新疆油田分公司應(yīng)急搶險(xiǎn)救援中心,新疆 克拉瑪依 834000)

        油氣站庫(kù)消防系統(tǒng)控制閥門(mén)多為蝶閥、閘閥、球閥。經(jīng)過(guò)歷年對(duì)油氣站庫(kù)消防專項(xiàng)檢查發(fā)現(xiàn),此類閥門(mén)普遍存在使用周期短,易發(fā)生內(nèi)漏,并在帶壓情況下不易開(kāi)啟。在某年消防專項(xiàng)檢查中,某作業(yè)區(qū)油氣站庫(kù)35.2%消防控制閥門(mén)因使用年限較長(zhǎng)、水質(zhì)等原因?qū)е麻y門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)(閥門(mén)主要以蝶閥為主)發(fā)生內(nèi)漏,造成系統(tǒng)泄壓,泡沫混合液強(qiáng)度和冷卻水強(qiáng)度不能滿足滅火要求。因此,本文從軌道球閥使用可靠性、操作便捷性及使用力矩計(jì)算三方面闡述軌道球閥的可靠性。

        1 消防系統(tǒng)常用控制閥門(mén)介紹

        1.1 閘閥

        閘閥一般由手輪、閥體、閥座、閥桿、閘板密封圈等部分組成,閘閥的啟閉件為閘板,閘板的運(yùn)動(dòng)方向與流體方向相垂直,閘閥在油氣站庫(kù)消防系統(tǒng)中主要使用在管徑較大的系統(tǒng)主管路中,用作全開(kāi)全關(guān)的作用。其次閘閥靠螺桿機(jī)械傳遞啟閉,啟閉行程大,時(shí)間長(zhǎng),啟閉需力矩較大。在實(shí)際演練中閘閥常常需帶壓開(kāi)啟關(guān)閉,消防崗操作人員需頻繁操作閘閥開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)出口壓力,操作過(guò)程中耗時(shí)耗力,如崗位員工為女工,操作難度將加大。三由于閘閥安裝在較大管徑的管路中,介質(zhì)流量壓力較大,如當(dāng)閘閥處于半開(kāi)位置時(shí),閘板會(huì)受流體沖蝕和沖擊而使密封面壽面縮短,還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

        圖1 蝶閥腐蝕

        1.2 蝶閥

        蝶閥主要由閥體、閥桿、蝶板和密封圈等部分組成。在油氣站庫(kù)消防系統(tǒng)中使用較多,其優(yōu)點(diǎn)主要有:一是啟閉省力、迅速,阻力小,重復(fù)操作率高;二是閥門(mén)在不帶壓情況下啟閉力矩較小,全開(kāi)時(shí)流體阻力較小。二是密封面材料一般采用橡膠、塑料材料,受天氣溫度、水質(zhì)等因素影響密封性能。三是在消防系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,蝶閥開(kāi)啟需較大的力矩。

        1.3 軌道球閥

        軌道球閥與球閥組成結(jié)構(gòu)類似,一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥體、閥桿、球體、密封結(jié)構(gòu)等部分組成。軌道球閥不同的是在閥桿上有軌道,用于球體在開(kāi)啟關(guān)閉的時(shí)候球體上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)零摩擦運(yùn)動(dòng)。

        1.4 工作原理

        開(kāi)啟過(guò)程:

        (1)閥芯在關(guān)閉位置,閥桿(銅色)機(jī)械施壓閥芯(黃色)擠壓閥座(橙色)。

        (2)當(dāng)開(kāi)啟轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí),閥桿向上帶動(dòng)角形平面使閥芯偏離閥座。

        圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)手輪后閥門(mén)偏離閥座分析圖

        (3)閥桿提升與閥桿導(dǎo)銷作用,開(kāi)始無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)閥芯。

        (4)全開(kāi)時(shí),閥桿到極限位置,閥芯全開(kāi)通。

        圖3 閥桿中閥門(mén)開(kāi)通過(guò)程

        關(guān)閉過(guò)程:

        (1)關(guān)閥時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。閥桿下降帶動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)。

        (2)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),閥桿與導(dǎo)銷相互作用,閥桿帶動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)90°。

        圖4 閥桿帶動(dòng)閥門(mén)旋轉(zhuǎn)90o后結(jié)構(gòu)圖

        (3)閥芯處于閥座無(wú)接觸情況并旋轉(zhuǎn)90°。

        (4)手輪轉(zhuǎn)到最后,角形平面機(jī)械地楔壓迫球芯,使其關(guān)閉。

        圖5 角形平面機(jī)械地楔壓迫球芯

        優(yōu)點(diǎn):一是開(kāi)關(guān)無(wú)磨損。球芯偏離閥座后在轉(zhuǎn)動(dòng)消除了閥座的摩擦,解決了摩擦損耗問(wèn)題。二是低扭矩操作。球閥開(kāi)啟只需用手輪轉(zhuǎn)動(dòng)即可(大口徑球閥需配備齒輪箱,開(kāi)啟同樣較省力)。因球面截?cái)嚅y密封面無(wú)摩擦,轉(zhuǎn)動(dòng)較容易,需扭力較小。三是以保證閥門(mén)具有長(zhǎng)期的、持續(xù)的緊密密封特性。

        圖6 閥門(mén)實(shí)際開(kāi)啟操作過(guò)程

        2 軌道球閥使用力矩計(jì)算

        軌道球閥與一般球閥不同,它由密封球面S1和支撐結(jié)構(gòu)球面S2兩個(gè)球面及一個(gè)垂直撬桿孔D組成。球體中心線與閥座中心線重合,球體在閥體內(nèi)滾動(dòng)時(shí)中心高度不變,以實(shí)現(xiàn)兩者接觸密封線為圓線。

        2.1 球體

        圖7 合閥桿完成球體的結(jié)構(gòu)

        閥門(mén)關(guān)閉時(shí)球體受力分析為:∑X=0。

        式中:Fj—作用在球體上的介質(zhì)力,N。Fm—密封力,N。Fb—關(guān)閉時(shí)閥桿對(duì)球體的作用力,N。fm—密封面之間的摩擦力,N。fb—閥桿球體間的摩擦力,N。

        閥門(mén)開(kāi)啟時(shí),球體受力:

        式中:F'b-----開(kāi)啟時(shí)閥桿對(duì)球體的作用力,N。f'm-----開(kāi)啟時(shí)密封力之間的摩擦力,N。

        計(jì)算表明,密封面靜摩擦系數(shù)的重要因素為法向壓力與靜止時(shí)間。

        2.2 閥桿

        圖8 閥桿功能具體結(jié)構(gòu)

        閥桿有A、B、C、D功能段。A為直線運(yùn)動(dòng)控制段,B為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制段,C為球體松壓段,D為球體旋轉(zhuǎn)段。

        閥門(mén)關(guān)閉時(shí),閥桿受力:

        式中F—關(guān)閉時(shí)手輪作用于閥桿的垂直分力,N。ft—填料摩擦力,N。fz—閥桿與閥蓋支撐處摩擦力,N。

        閥門(mén)開(kāi)啟時(shí),閥桿受力:

        式中:F’—開(kāi)啟時(shí)手輪作用于閥桿的垂直分力,N。

        將式(1)和式(2)的計(jì)算結(jié)果分別代入式(3)和式(4),可求出相應(yīng)的F和F′。

        2.3 手輪和閥桿組成的平衡系統(tǒng)

        平衡系統(tǒng)上的主動(dòng)力(矩)為作用于手輪上的力偶(Fs/2,F(xiàn)‘s/2),閥桿梯形螺紋處的摩擦力矩M1,球體對(duì)閥桿的反力Fb(F’b),閥桿與球體間的摩擦力fb,閥桿與填料間摩擦力ft和閥桿與閥蓋支承間的摩擦力fz。

        關(guān)閉時(shí):

        開(kāi)啟時(shí):

        式中:Fs—作用在手輪上的圓周力,N、Fs≤750N、Ds—手輪直徑,mm、由機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)關(guān)系知,對(duì)于單頭螺紋,手輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,螺桿上升或下降一個(gè)螺距(p),故有:

        式中p—閥桿梯形螺紋螺距,mm

        將式(7)代入式(5)和式(6)中即可得出關(guān)閉時(shí)所需的手輪驅(qū)動(dòng)力Fs和開(kāi)啟時(shí)所需的手輪驅(qū)動(dòng)力F‘s。

        若忽略各種摩擦力(矩),則機(jī)構(gòu)力的放大倍數(shù)為:

        例如Q41GD-160-100型軌道球閥,sinФ=4/11,Ds=450mm,P=6mm則:

        一般固定式球閥的閥桿力矩計(jì)算公式為:

        從計(jì)算結(jié)果可以得出,軌道球閥還具有啟閉省力之優(yōu)點(diǎn)。

        3 結(jié)語(yǔ)

        軌道球閥采用簡(jiǎn)單、有效的運(yùn)動(dòng)方式協(xié)調(diào)控制密封接觸面的分離、旋轉(zhuǎn)與壓緊,實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程無(wú)摩擦,零泄漏,操作低扭矩。建議在油氣站庫(kù)消防系統(tǒng)改造時(shí)采用此類閥門(mén)。

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