豎裝式安全切斷閥的設(shè)計

馮智云

摘要：本文介紹了一種適用于氣體調(diào)壓站的安全切斷閥門。該閥門結(jié)構(gòu)新穎，操作簡單方便，容易維修，帶內(nèi)置型卷簧釋放結(jié)構(gòu)，帶一體化壓力平衡閥門，直通型閥腔設(shè)計有效的減少了介質(zhì)的壓降。閥門的切斷可以通過手動緊急關(guān)斷、管道氣壓通過指揮器操作進行氣動關(guān)斷也可選用遠程電磁關(guān)斷，閥門的開啟必須手動完成。

Abstract： This article describes a safety shut-off valve suitable for gas pressure regulating stations. The structure of the valve is novel， the operation is simple and convenient， its maintenance is easy， it has a built-in type coil spring release structure and integrated pressure balance valve， and the through-type valve cavity design effectively reduces the pressure drop of the medium. The valve can be shut off by manual emergency shutoff， pneumatic shutoff and remote electromagnetic shutoff， and the opening of the valve can be completed manually.

關(guān)鍵詞：安全切斷閥;卷簧;平衡閥門;關(guān)斷;開啟

Key words： safety shut-off valve;coil spring;balancing valve;shut-off;opening

中圖分類號：U641.3+32 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0125-02

1 概述

豎裝式安全切斷閥主要包括閥體、閥瓣部件、主軸、上蓋、復(fù)位卷簧部件、閥門關(guān)斷部件、平衡閥部件、復(fù)位板及復(fù)位手柄等（整機結(jié)構(gòu)見圖1）。主軸將閥瓣部件、閥門關(guān)斷部件及復(fù)位卷簧連接在一起。閥門在天然氣調(diào)壓站上使用，主要是起緊急切斷作用。閥門關(guān)段部件上有四個接口，分別是自力式氣動操作接口、遠程電磁閥操作接口、手動緊急關(guān)斷接口及自動復(fù)位接口。正常工作時安全切斷閥處于全開閥位，當(dāng)下游輸送的天然氣壓力超過管道輸送壓力或低于管道輸送壓力時，管道引壓系統(tǒng)將壓力信號傳遞給指揮器，指揮氣將信號傳遞給氣動操作部件來推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，閥內(nèi)限位滾針將進入轉(zhuǎn)輪內(nèi)，使得鎖套脫開滾針的限位而帶動閥桿翻轉(zhuǎn)，閥桿帶動閥瓣部件來關(guān)斷閥門，并且卷簧內(nèi)的力也開始釋放，并對閥門的關(guān)斷起一定的輔助作用。現(xiàn)場手動緊急關(guān)斷操作和遠程電磁閥操作對閥門的關(guān)斷的機理與指揮器操作一樣，只是電磁閥控制適用于遠程關(guān)斷控制，手動緊急關(guān)斷用于現(xiàn)場人為操作。閥門需要復(fù)位時（及閥門開啟），需將閥腔內(nèi)的天然氣排空，此時開啟平衡閥門，來排空閥腔內(nèi)的天然氣便于安全可靠的開啟閥門。先將閥門關(guān)斷部件處通過復(fù)位操作將轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動在閥門開啟的位置，然后將復(fù)位手柄插入閥位指示板的復(fù)位孔內(nèi)，順時針旋轉(zhuǎn)主軸，轉(zhuǎn)到主軸被完全限位，閥門就開始正常工作。

2 設(shè)計

2.1 閥門設(shè)計遵循的標準 閥門整機設(shè)計依據(jù)：EN 14382 氣體調(diào)壓站和設(shè)施用安全裝置-入口壓力達100bar的氣體安全切斷設(shè)施的要求。閥門壓力試驗及泄漏依據(jù)：ISO 5208 工業(yè)用閥門 金屬閥門的壓力試驗，閥座的泄漏應(yīng)能夠達到ISO 5208 A級要求。閥門法蘭距設(shè)計依據(jù)：ASME B16.10 閥門的端面至端面和尾端至尾端間距的要求。閥體及閥蓋材質(zhì)選用依據(jù)：ASTM A105 管道設(shè)施用碳鋼鑄件的標準規(guī)范的要求。閥體及閥蓋厚度設(shè)計依據(jù)：GB 26640 閥門殼體最小壁厚尺寸要求規(guī)范的要求。閥內(nèi)件材質(zhì)選用滿足：ASTM A276/A276M 不銹鋼棒材和型材標準規(guī)范的要求。閥體外連接螺栓滿足：ASTM A194/A194M 高壓或高溫或者高壓高溫用螺栓的碳鋼及合金鋼螺母標準規(guī)范的要求。閥體內(nèi)連接螺栓滿足：ASTM A320/A320M 低溫作業(yè)用合金鋼和不銹鋼螺栓標準規(guī)范的要求。閥體與介質(zhì)接觸的主要零件滿足：NACE MR0175油田設(shè)備抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的金屬材料的要求。

2.2 豎裝式安全切斷閥的設(shè)計過程

2.2.1 閥體設(shè)計 ①閥體結(jié)構(gòu)及成型工藝的確定。為了更好地滿足現(xiàn)場快速、方便的使用，安全切斷閥閥板采用直通翻板結(jié)構(gòu)，為了有效減少閥腔的壓力，閥腔設(shè)計為直通式通流閥腔結(jié)構(gòu)。設(shè)計中主要考慮到壓力、溫度、流量、流體等參數(shù)因素對閥體的影響，允許最大噪音等級等。結(jié)合閥腔結(jié)構(gòu)的特點，閥體的成型工藝確定為一體鑄造成型。

②閥體壁厚的計算。為了獲得準確的閥體壁厚，可通過以下二種方法來確定閥體的壁厚：

方法一：厚壁圓筒壁厚

焊接接頭系數(shù)根據(jù)射線檢測等級來確定：①100%檢測E=1;②局部檢測E=0.85;③不檢測E=0.45。注：所有的軸向和環(huán)向?qū)雍附咏宇^必須采用100%檢測，因此取E=1。以上各參數(shù)確定后，便可以計算處閥體的壁厚。

方法二：查閥體最小壁厚標準（GB26640-2011），可以確定閥門口徑與壓力所對應(yīng)的閥體壁厚值。

通過以上兩種確定閥體壁厚值，為了確保安全選用較大的壁厚值。

③閥腔的有限元分析。由于安全切斷閥

在使用過程中起著非常重要的作用，為了使得閥門有更加穩(wěn)定和可靠的使用性能，在設(shè)計中對閥體進行了有限元分析，分析過程見圖2。

2.2.2 卷簧扭矩的確定 ?為了滿足閥門在使用中具有快速及嚴密的關(guān)斷性能，采用一體式內(nèi)置卷簧結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)閥門的此功能。卷簧轉(zhuǎn)矩的大小，是由閥板部件的重量在開啟過程中產(chǎn)生扭矩值和主軸處密封圈的摩擦力在開啟過程中產(chǎn)生扭矩值的和，并帶有一定的安全系數(shù)來確定扭簧的扭矩值，也是心軸所需要的扭矩值，就可以也確定心軸的軸徑的大小，進一步可確定卷簧的參值來設(shè)計卷簧。（圖3卷簧工作原理圖）

2.2.3 上閥蓋密封結(jié)構(gòu)設(shè)計 ?上閥蓋密封采用強制密封如圖4，擰緊中法蘭螺栓，對密封墊片施加壓力，預(yù)緊的墊片受到壓縮，密封面上凹凸不平的微隙被填滿。這樣就為防止介質(zhì)介質(zhì)泄漏形成了初始的密封條件—密封面上形成了預(yù)緊比壓。強制密封的典型結(jié)構(gòu)是平墊密封、纏繞墊密封和鋸齒墊密封等。

2.2.4 閥板密封結(jié)構(gòu)設(shè)計 ?閥板密封采用閥板鑲嵌防裂爆O型圈來實現(xiàn)軟密封性能，閥腔密封面堆焊316來提高密封面的光潔度，此種密封組合更加可靠的滿足了閥門的密封性能。（閥板密封結(jié)構(gòu)圖見圖5）

2.2.5 一體式壓力平衡閥的設(shè)計 ?安全切斷閥一般與監(jiān)控調(diào)壓閥和電動式軸流閥一起撬裝使用，其在整個撬裝線上的作用很重要，當(dāng)撬裝管線氣壓發(fā)生異常時，安全切斷閥會立即切斷，為了確保整個管線的安全需將閥門前端氣壓向下游進行泄放，需要安全可靠的路徑來將閥門前端氣壓泄放到下游管道，因此本次設(shè)計一體式壓力平衡閥來進行手動泄壓。（壓力平衡閥結(jié)構(gòu)圖見圖6）

3 ?結(jié)語

安全切斷閥在天然氣輸氣調(diào)壓器中承擔(dān)著非常重要的作用，為此，在設(shè)計中要考慮到各方面的影響因素：整機結(jié)構(gòu)的合理性、閥門緊急關(guān)斷的靈敏性、卷簧力的持久性和穩(wěn)定性、閥板密封的可靠性、閥體與介質(zhì)接觸的主要零件抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的金屬材料的要求，從而來克服使用中的不足，使產(chǎn)品使用性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。

參考文獻：

[1]陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002，9.

[2]謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].電子工業(yè)出版社，2012：4-35.

[3]孫克勤.調(diào)節(jié)閥選型計算應(yīng)用技術(shù)[M].南京航空學(xué)院出版，1993：43-45.

[4]EN 14382 氣體調(diào)壓站和設(shè)施用安全裝置-入口壓力達100bar的氣體安全切斷設(shè)施的要求.