氣體滅火中大規(guī)格選擇閥的開發(fā)與應(yīng)用

張志榜，邵大財

（南京消防器材股份有限公司，江蘇南京 211112）

0 前言

氣體滅火系統(tǒng)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的滅火設(shè)施之一，具有滅火效能高，不污染設(shè)備，電絕緣性好，滅火迅速等優(yōu)點。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，大型建筑的不斷涌現(xiàn)，對消防產(chǎn)品也提出了更高的要求，為實現(xiàn)對大型區(qū)域的防護，滿足大劑量的藥劑輸送的工程需要，市場對于氣體滅火系統(tǒng)中大規(guī)格選擇閥苛求越發(fā)強烈。

選擇閥一般安裝在集流管上，進口與集流管連接，出口與滅火劑輸送管道連接。主要用于組合分配系統(tǒng)中控制滅火劑流動方向，保證滅火劑進入發(fā)生火災(zāi)的保護區(qū)。

選擇閥平時處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，通過驅(qū)動裝置自動打開或手動打開，在驅(qū)動氣體或滅火劑自身壓力下，選擇閥開啟并釋放滅火劑至輸送管道，實施滅火。滅火劑釋放完畢后，選擇閥自動復(fù)位關(guān)閉。

選擇閥采用直通式增壓型，連接方式為法蘭連接。其結(jié)構(gòu)較背壓型選擇閥簡單，安裝方便，尤其具有滅火動作后能夠自動復(fù)位的優(yōu)點。

1 設(shè)計分析

大規(guī)格選擇閥是一般指公稱通徑大于100 mm的閥主要由閥體、閥芯、閥蓋、活塞、連接桿、密封墊、彈簧和手動執(zhí)行部件組成。現(xiàn)以DN150選擇閥為例做以下設(shè)計分析:

a）主要性能參數(shù)

公稱通徑:150 mm;

設(shè)計壓力:8.0 MPa;

試驗壓力:12.0 MPa。

b）設(shè)計計算

1）設(shè)計依據(jù)

GB25972－2010《氣體滅火系統(tǒng)及部件》;

GB50370－2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》。

2）材料選用

選擇閥的最大工作壓力為8.0 MPa，強度試驗壓力12.0 MPa，所以要求其閥體材料應(yīng)具有一定的強度及良好的鑄造性能、機械加工性能、耐腐蝕性能，同時還應(yīng)考慮選材的通用性，優(yōu)選 06Cr19Ni10。其機械性能:σb=450 MPa，σs=200 MPa。

3）閥體壁厚計算:

式中:K0—閥體外徑與內(nèi)徑之比:

DN—閥體中腔最大內(nèi)徑192 mm

P —設(shè)計壓力，取最大工作壓力PN8.0 MPa

［σ］—材料的許用應(yīng)力（MPa），取 σb/nb和σs/ns兩者中的較小值。

σb=450 MPa，nb=4.25;則:σb/nb=105.88;

σs=200 MPa，ns=2.2;則:σs/ns=90.91;

所以，取［σ］=90.91。

由式（2）知，K0=1.086;

由式（1）知，SN=8.27+C。

C——考慮鑄造偏差、工藝性和介質(zhì)腐蝕等因素，而附加的裕量，取C=2 mm，則:SN=10.27 mm，取SN=11 mm。

4）工作原理（圖1）

該選擇閥有氣動與手動兩種開啟方式。當(dāng)保護區(qū)發(fā)生火情時，感煙與感溫探測器發(fā)出火災(zāi)信號，報警滅火控制器即發(fā)出聲、光報警信號，同時發(fā)出聯(lián)動指令，關(guān)閉聯(lián)鎖設(shè)備，經(jīng)過一段延時時間，發(fā)出滅火指令，打開電磁瓶頭閥釋放驅(qū)動氣體，驅(qū)動氣體通過啟動管路打開相應(yīng)的選擇閥和瓶頭閥，釋放滅火劑，實施滅火。

圖1 結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)驅(qū)動氣體（一般為6 MPa）進入A腔，推動活塞右移，通過連接桿及閥芯克服彈簧力打開選擇閥。如電磁瓶頭閥出現(xiàn)故障，未能釋放驅(qū)動氣體，可以采用手動開啟選擇閥:手動扳起手柄，打開手動執(zhí)行部件，滅火劑由B處經(jīng)手動執(zhí)行部件進入A腔，推動活塞右移并打開選擇閥，此時是通過滅火劑自身壓力開啟閥門。

5）選擇閥的密封（圖2）

圖2 關(guān)閉狀態(tài)受力情況

選擇閥的工作壓力范圍:3.6 MPa～8.0 MPa

選擇閥裝配完成時即在彈簧的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)滅火劑被釋放而到達該選擇閥時，如不需要開啟該選擇閥，則選擇閥在滅火劑自身的壓力P1和彈簧力的作用下能確保密封。

式中:λ—彈簧變形量，231－150=81 mm（關(guān)閉狀態(tài)，彈簧自由長度231 mm）;

G—材料切變模量，71 000 MPa;

d— 鋼絲直徑，6 mm;

D—彈簧中徑，59 mm;

n—有效圈數(shù)，12。

P1min=0.36×（163/2）2×π =73.6 kN·m;

P1max=0.8×（163/2）2×π =63.6 kN·m。

則由式（3），密封Fmin=74 KN·m，密封Fmax=64 kN·m，隨著工作壓力的升高，F(xiàn)密封也相應(yīng)增大，密封效果越佳，所以選擇閥能可靠密封。

6）選擇閥的開啟（圖3）

圖3 開啟狀態(tài)受力情況

選擇閥的開啟有兩種形式，其開啟時受力情況不同，分析如下:

a）一般情況采用氣動開啟，驅(qū)動氣體壓力為6 MPa，此時只須克服彈簧力。

P2=0.6×（176/2）2×π =143 kN·m ＞ ＞P（彈簧力）1

b）當(dāng)電磁瓶頭閥或驅(qū)動管路出現(xiàn)故障時，可采用手動打開，即通過滅火劑自身壓力開啟選擇閥，此時的受力情況為:

P2min=0.36×（176/2）2×π =84 kN·m

P2max=0.8×（176/2）2×π =191 kN·m

選擇閥開啟前，P3為零。密封Fmin＜P2min，密封Fmax＜P2max，所以選擇閥在滅火劑自身的壓力下能夠開啟。

選擇閥開啟后，P3隨之產(chǎn)生，而P1將被平衡掉。

P3min=0.36×（80/2）2×π =18 kN·m

P3max=0.8 ×（80/2）2×π =39 kN·m

當(dāng)選擇閥開啟達最大時，彈簧被壓縮F=231－121=110 mm（最大開啟狀態(tài)，彈簧自由長度231 mm）

可見，P2min－P3min=68 kN·m＞＞P（彈簧力）2

P2max－P3max=151 kN·m＞＞P（彈簧力）2

所以，選擇閥在滅火劑自身的壓力下也能保證最大開啟狀態(tài)。

7）選擇閥的復(fù)位

隨著滅火劑的釋放，滅火劑的壓力也隨之降低。

當(dāng)滅火劑的壓力P2－P3小于P（彈簧力）2時，選擇閥將自動復(fù)位;當(dāng)滅火劑的壓力P2－P3小于P（彈簧力）1時，選擇閥將完全復(fù)位。

P2=F（滅火劑氣壓）×（176/2）2×π =23.8 kN·m×F（滅火劑氣壓）

P3=F（滅火劑氣壓）×（80/2）2×π=4.9 kN·m×F（滅火劑氣壓）

則，P2－P3=18.9 kN·m×F（滅火劑氣壓）

當(dāng)P2－P3＜P（彈簧力）2=503 N·m時，F(xiàn)（滅火劑氣壓）＜ 0.26 MPa

當(dāng)P2－P3＜P（彈簧力）1=370 N·m時，F(xiàn)（滅火劑氣壓）＜ 0.20 MPa

即，當(dāng)滅火劑的壓力小于0.26 MPa時，選擇閥將自動復(fù)位;當(dāng)滅火劑的壓力小于0.20 MPa時，選擇閥將完全復(fù)位。可見此時的滅火劑也幾乎釋放完畢。

2 工程應(yīng)用

根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》可以估算應(yīng)用該閥門輸送藥劑保護某通信機房的最大凈容積:（假設(shè)輸送的滅火劑為HFC－227）

1）由D=（8∽16）可算得Q=114.8 kg/s（取D=12，已知D=150 mm）

2）W=Q.t=114.8 ×8=918.4 kg

可算得V=1 449 m3（K=1，S=0.1372，C1=8%）

可見，該閥門可用于凈容積為1 500 m3左右保護區(qū)藥劑的輸送。

D—管道通徑（mm）;

Q—平均設(shè)計流量（kg/s）;

W—滅火劑設(shè)計用量（kg）;

t—滅火劑設(shè)計噴放時間（s）;

V—保護區(qū)凈容積（m3）;

K—海拔高度修正系數(shù)（通常取1）;

S—滅火劑過熱蒸氣在101 kPa大氣壓和保護區(qū)最低環(huán)境溫度下的質(zhì)量體積（m3）;

C1—滅火設(shè)計濃度（%）。

3 結(jié)論

通過對DN150選擇閥設(shè)計分析，建議公稱通徑大于DN100的選擇閥均可參照以上模型設(shè)計開發(fā)，以滿足大劑量藥劑輸送工程需要，實現(xiàn)對大型防護區(qū)域的保護。閥門采用直通增壓型，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，安裝方便，具有自動復(fù)位功能，實用性強。

［1］吳宗澤.機械設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.2103-2108.

［2］陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［3］陸陪文.實用閥門設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.1014-1021.

［4］張一公.常用工程材料選用手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.