天然氣調(diào)節(jié)球閥閥體半自動氣壓試驗裝置設(shè)計

劉功祥

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院)

0 前言

球閥是石油、化工、電站、長輸管線等國民經(jīng)濟(jì)各部門不可缺少的流體控制設(shè)備。在西氣東輸?shù)拇蟊尘芭c時下天然氣的推廣普及的應(yīng)用環(huán)境之下，球閥的重要性不言而喻。

隨著西氣東輸工程的推進(jìn)，城市天然氣管網(wǎng)的陸續(xù)建成，球閥將有更廣闊的應(yīng)用前景。隨之而來的是對球閥的可靠性、耐用性等性能的要求越來越高。為了保證球閥的質(zhì)量，必須進(jìn)行三個方面的試驗：一是閥體水壓試驗，二是閥體氣壓試驗，三是球閥閥體密閉性試驗[1]。

球閥閥體氣壓試驗就是對球閥的閥體充氣加壓并將其全部浸入水下進(jìn)行觀察，檢查有無泄漏。該試驗的主要目的是確保球閥的質(zhì)量。本文研究的裝置為半自動氣壓試驗裝置。要求設(shè)計的球閥試驗裝置對球閥具有提升、水平移動、鎖扣、密封、充壓、吹干等功能。

1 整體設(shè)計

作為一種檢測試驗裝置，對于其可靠性有著比較高的要求。對于這樣一個新型裝置，起初我們的設(shè)計要求主要有以下幾點：

（1）依照球閥的設(shè)計參數(shù)初定該裝置的設(shè)計參數(shù)；

（2）依照相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則初定裝置的結(jié)構(gòu)，并對其可行性進(jìn)行論證；

（3）對于選定方案進(jìn)行理論的計算與校核；

（4）通過一定的工廠實習(xí)與市場調(diào)研，確定詳細(xì)的結(jié)構(gòu)以及完成零部件選型；

（5）利用相關(guān)軟件進(jìn)行裝置裝配及運行模擬。

為了達(dá)到以上要求，我們在設(shè)計之初結(jié)合市場、生產(chǎn)廠家和目前行業(yè)現(xiàn)狀確定了該裝置的主要目標(biāo)。要求試驗裝置能在自動控制下完成試件提升、水平移動、壓緊裝置自動鎖扣、密封、充壓和進(jìn)行試驗，同時實時記錄數(shù)據(jù)，完成試驗后自動轉(zhuǎn)移試件并將試件吹干。天然氣球閥的氣壓試驗對于安全性有更高的要求。為了實現(xiàn)以上各項功能，同時又最大程度地滿足各方需要，最終把整套裝置分成六大主體，即上下提升平臺、水平移動平臺、傳動裝置、壓緊密封裝置、干燥裝置和打印記錄裝置。

2 各功能結(jié)構(gòu)設(shè)計 [2-3]

2.1 提升平臺的結(jié)構(gòu)組成

提升平臺是該裝置的一個主要部分，其主要功能是提供閥體一個能自由上下的平臺，其構(gòu)成主要有下述一些零部件：

小車裝配體 （小車平臺、車輪、車輪銷）——放置閥體的平臺；

絲桿——提供平臺上下運行的傳動部件；

小車支撐裝置——小車平臺與絲桿間的連接裝置；

軌道——提供平臺運動路徑；

軸承——絲桿端面處連接部件；

槽鋼——提供支撐作用，同時由于絲桿的高速轉(zhuǎn)動有一定危險性，故其起保護(hù)作用。

2.2 傳動裝置

2.2.1 傳動裝置的結(jié)構(gòu)組成

傳動裝置主要由電機(jī)和齒輪組成[4-5]。對于傳動裝置的結(jié)構(gòu)在設(shè)計之初主要有兩套方案，具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。通過分析比較，最終選擇傳動裝置Ⅰ作為該裝置的傳動結(jié)構(gòu)，其理由主要是基于以下幾個方面考慮：

圖1 傳動裝置Ⅰ

圖2 傳動裝置Ⅱ

（1）出于傳動比的考慮。通過計算確定了傳動比u=1，故不需要設(shè)置如傳動裝置Ⅱ所示的減速機(jī)構(gòu)。

（2）出于絲桿旋轉(zhuǎn)方向的考慮。為了保證一組絲桿的運動是同一個時針方向，以確保小車平臺的上下運動，傳動裝置Ⅰ設(shè)置了一個惰輪，巧妙地解決了這個問題。所謂惰輪，就是其作用不改變傳動比只改變傳動方向的一個齒輪。而傳動裝置Ⅱ中的兩個絲桿的運動方向是得不到保證的。

（3）出于頂箱空間的考慮。傳動裝置Ⅰ把電機(jī)設(shè)計在頂箱的后部，保證了頂箱前部有較大空間以便于前部集中儀表盤的安裝，同時給中間的壓緊氣缸的安裝保留足夠的位置。而傳動裝置Ⅱ則未能充分考慮此問題。

2.2.2 傳動參數(shù)的設(shè)計與計算

傳動參數(shù)的設(shè)計計算如表1所示。傳動參數(shù)主要包括傳動裝置提供的功率以及傳動比。

表1 傳動參數(shù)

2.3 水平移動平臺的結(jié)構(gòu)組成

水平移動平臺主要由小車平臺、氣缸和軌道組成，如圖3所示。

圖3 水平移動平臺

2.4 壓緊裝置的設(shè)計

2.4.1 四周壓緊裝置

四周壓緊裝置主要包括壓緊氣缸、氣缸連接法蘭、螺栓、壓緊法蘭和O形密封圈等零部件。

依據(jù)閥體的接管法蘭以及工藝要求設(shè)計的法蘭盤如圖4所示。其中錐形凸臺的設(shè)計目的是為了方便找中心。此處的密封系采用O形密封圈進(jìn)行線性密封。

圖4 法蘭盤

2.4.2 上端壓緊裝置

上端壓緊裝置主要由壓緊法蘭、一對鎖扣、雙行程氣缸、壓緊氣缸和O形密封圈等零部件構(gòu)成，如圖5所示。

其中氣桿與法蘭件設(shè)計成一連接結(jié)構(gòu)，其上端與氣桿采取螺紋連接，以便于系列法蘭的替換。其下端與法蘭焊接連接。

鎖扣作為該裝置的一個創(chuàng)新設(shè)計部件，它的設(shè)計要求是在壓緊試件時保證同步相向運動。它的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 上端壓緊裝置

圖6 鎖扣

2.4.3 下端壓緊裝置

下端壓緊裝置是整套裝置的一個核心部件，它由一組法蘭盤組成，法蘭盤之間是可拆卸的。該裝置提供的水壓試驗平臺適用于DN100、DN80、DN50三個系列的球閥。為了解決不同球閥中心高度不一致的問題，設(shè)計了一種 “寶塔式”的底法蘭盤，各法蘭盤之間采用O形密封圈密封，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 下端壓緊裝置

2.5 水箱的設(shè)計

水箱分為上下兩個部分。對于上水箱而言，由于其四周需要安裝壓緊法蘭，故在其四周開設(shè)四個孔。水槽高度由閥體中心高度確定。另外考慮到操作工藝的要求，上水箱四周氣缸的安裝孔必須具有一定的同心度，以保證法蘭盤裝配的精度要求。上水箱底部設(shè)置四個進(jìn)水孔和一個閥體的打氣孔。

對于下水箱而言，需要開一個閥體打氣孔、一個壓水的進(jìn)氣孔和一個放空孔。上下水箱之間用焊接連接。焊接方法可以選擇角焊，但必須保證焊接性能。焊接完成后，需要檢驗上下水箱的焊接密封性。

由于水箱長期浸在水中，所以必須考慮其防銹處理。綜合考慮廠方需要和工程實際應(yīng)用需要，確定選用不銹鋼材料。

2.6 干燥裝置

由于做完氣壓試驗的工件是潮濕的，需要立即吹干，否則易生銹，故這個干燥裝置必不可少。干燥裝置主要由一個打氣孔和一個均布?xì)饪椎臍饪渍纸M成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 干燥裝置

干燥裝置的主要特點是其氣孔的設(shè)置與布局。氣孔為一周直孔和一周斜孔錯位布置，目的是使吹干的效率更高。另外一個特點是該裝置的安裝位置考慮周到，安裝位置如圖8所示，這樣的安裝位置便于一邊轉(zhuǎn)移試驗完畢的閥體，一邊吹干，兩者同步完成，節(jié)約了時間，提高了工作效率。

2.7 底座支撐和坡板

圖9是底座支撐與坡板的裝配體圖。這部分主要由兩個37°的坡板、一個支持平臺和四個橡膠輪組成。其中坡板與底座支撐之間采用鉸鏈連接。坡板的用途是提供一個運送工件到達(dá)試驗平臺的路徑，選用鉸鏈連接是為了節(jié)約空間，在裝置不使用時可以將兩塊坡板折疊。安裝四個橡膠輪的目的是方便裝置的移動。此外，在選用車輪時充分體現(xiàn)了人性化的設(shè)計，其中的一排輪還設(shè)置成了萬向輪且?guī)в心_剎裝置。

圖9 底座支撐和坡板

2.8 顯示、打印、記錄裝置

為了適應(yīng)現(xiàn)如今產(chǎn)品質(zhì)量檢測的規(guī)范化要求，特意設(shè)計了這樣一組集顯示、打印、記錄的配套裝置。其主要由下述部件組成：

觸摸屏——實時顯示試驗數(shù)據(jù)，提供一個集成操作平臺；

照相機(jī)——實時拍照，記錄試驗現(xiàn)象；

打印機(jī)——記錄數(shù)據(jù)，匯集報表。

另外，在安裝這組設(shè)備的時候，為了方便操作人員觀察記錄試驗數(shù)據(jù)，該裝置可以旋轉(zhuǎn)一定角度。但是為了充分考慮試驗裝置的安全性，保證試驗裝置的穩(wěn)定運行，該裝置的旋轉(zhuǎn)角度是有位置區(qū)間限制的。為此設(shè)計了一個直臂手并把它用軸承連接，最終焊接在槽鋼的背部，以此確定其兩個極限位置始終與槽鋼背部在同一平面上，避免其旋轉(zhuǎn)至水箱正上方而導(dǎo)致整套試驗裝置無法正常運行。

2.9 頂箱

為了保證整套裝置平穩(wěn)運行，裝置的頂端設(shè)置一頂箱。一方面是為了提高結(jié)構(gòu)的緊湊性，另一方面是對傳動裝置起到一定的保護(hù)作用。在頂箱的正面安裝了一個集中儀表盤作為輔助顯示，便于在特殊情況下操控裝置的運行。對于頂箱與頂箱底板之間的連接，采用翻邊螺釘連接。采用這樣的連接便于拆裝與檢修。

3 水壓試驗操作流程

該試驗裝置作為一個自動化裝置其總裝配圖如圖10所示，其運行操作主要有以下幾個步驟[6]：

（1）放置試件，通過其他運輸裝置把試驗閥體沿坡板運送到小車平臺。

（2）接通電源，傳動裝置運行，提升試驗閥體，直到小車軌道與上水箱上端軌道吻合為止，電機(jī)停止運行。

（3）在電機(jī)完全停止運行之后，通過氣缸推動小車平臺水平移動，直到氣缸完成其行程為止。

圖10 裝配體

（4）小車平臺停止移動，上端壓緊氣缸驅(qū)動上端壓緊法蘭盤向下運行至與閥體的法蘭面完全重合處，同時鎖緊鎖扣。

（5）小車氣缸驅(qū)動小車往回移動，在小車平臺完全離開上水箱上方時，上端壓緊氣缸繼續(xù)攜帶閥體往下運動，直到閥體的下端法蘭與上水箱底部法蘭盤完全吻合。

（6）打開下水箱進(jìn)氣孔，然后通氣；利用氣壓把下水箱中的水壓到上水箱中，至水位高于閥體最頂部為止，然后關(guān)閉閥門。

（7）打開進(jìn)氣閥，往閥體內(nèi)充氣，至壓力表顯示預(yù)設(shè)的試驗壓力為止。

（8）保壓，持續(xù)一段時間觀察試驗現(xiàn)象，同時拍照記錄試驗數(shù)據(jù)。

（9）完成試驗，卸下閥體內(nèi)部壓力，接著打開下水箱進(jìn)氣孔的閥門泄壓，直至上水箱中的水全部回流至下水箱為止。

（10）提升試驗閥體至上水箱上端，接著驅(qū)動右端小車平臺至上水箱上端，放置閥體于小車平臺之上，同時解開鎖扣。

（11）右端小車平臺往回運動至初始位置，接著電機(jī)開始運行，同時吹干裝置開始工作。

（12）試件閥體吹干，運輸裝置運走閥體，然后重復(fù)下一個閥體的試驗。

4 結(jié)論

近年來球閥發(fā)展較快。球閥的特點是耐腐蝕、安全性高、重量輕、成本低。隨著城市管網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，球閥的應(yīng)用更為廣泛，因而保證球閥質(zhì)量的試驗裝置也愈加顯得重要。本文所設(shè)計的天然氣調(diào)節(jié)球閥閥體半自動氣壓試驗裝置適用的球閥公稱直徑為DN50～100 mm，工作壓力≤1.0 MPa。這就滿足了系列化、批量化球閥閥體試驗的現(xiàn)實要求。

今后，球閥試驗裝置將會在下述幾個方面進(jìn)一步發(fā)展： （1）試驗球閥的閥體公稱直徑范圍和試驗壓力范圍將繼續(xù)擴(kuò)大； （2）在傳動裝置方面，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，必將出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)形式來替代如今的電機(jī)齒輪傳動； （3）由于自動化程度的不斷提高，控制技術(shù)的長足進(jìn)步，必將出現(xiàn)更精確更平穩(wěn)的控制方案。

[1] 陸培文.閥門選用手冊 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

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

[3] 劉德俊，王越，王雪梅.呼吸閥閥體水壓試驗分析[J].遼寧化工，2005，34(2)： 87-89.

[4] GB 150—1998鋼制壓力容器 [S].

[5] 范英俊，孫韶華，薛紀(jì)二，等.球鐵管水壓試驗機(jī)的設(shè)計與研究 [J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2002（2）：33-35.

[6] 陳康寧.機(jī)械控制工程基礎(chǔ) [M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1999.