安全閥用旋轉切換閥結構設計

高 楊, 段淼淼, 何 睿, 韓英杰

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

TSG ZF001—2006《安全閥安全技術監察規程》[1]規定，安全閥一般每年需至少校驗1次。然而對于某些重要的生產裝置，由于過程控制或其他原因必須連續運行，因此需要將2臺安全閥同時在線運行，并在安全閥的進口處安裝切換閥，使其始終處于1開1備的狀態，從而無需停車即可對安全閥進行在線檢修或更換[2]。

安全閥常用切換閥有雙截止型切換閥與旋轉切換閥，其中旋轉切換閥具有流阻小、重量輕、結構緊湊及便于安裝的優點，在煉油、石化、空分、多晶硅等行業均有廣泛的應用。為了實現較小的流阻、可靠的密封及便捷的切換，旋轉切換閥的流道結構、密封結構和切換結構等需要專門設計[3]。

1 旋轉切換閥工作原理及整體結構設計

1.1 工作原理

旋轉切換閥需與安全閥組裝后方能使用，二者組裝整體示意見圖1。工作時，旋轉切換閥的2個出口法蘭分別與2臺相同的安全閥連接。

圖1 旋轉切換閥與安全閥組裝整體示圖

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

1.2 整體結構設計

旋轉切換閥的整體結構見圖2。壓緊螺套、調整螺套、閥桿、轉子及閥瓣等形成一個整體運動部件。

圖2 旋轉切換閥整體結構

進行切換動作時，旋轉調整螺套使之向下帶動壓緊螺套壓迫鋼珠，鋼珠作用在閥桿上，使閥桿向下帶動轉子向下運動，將閥瓣與閥座分離。當轉子下端下降到底座下方的周向溝槽時，轉子可以進行旋轉。將指示器旋轉180°，帶動閥桿、轉子和閥瓣構成的整體運動部件旋轉到另一側，旋轉調整螺套，帶動整體運動部件向上移動，使閥瓣與另一側閥座閉合，完成切換。

2 旋轉切換閥流道結構設計

根據API RP 520—2015《煉油廠泄壓裝置的定徑、選擇和安裝》[4]，當安全閥的進口處連接配置有切換裝置時，切換裝置的設計應使其最小流通面積等于或大于安全閥的進口面積，并保證安全閥進口與被保護壓力容器間不可恢復的壓力損失不超過整定壓力的3%。

流體流經閥門造成的壓力損失通常以閥門的流阻系數表征。閥門的流道結構設計會影響閥門的流阻系數。旋轉切換閥的流道可以簡化為幾段管道元件，分別計算每段元件的流阻系數，總和就是閥門的流阻系數。管道元件的流阻系數計算方法見閥門設計手冊和ISO 4126-1—2013《安全裝置超壓保護》[5-7]。旋轉型切換閥的實際流阻系數可以依據JB/T 5296—1991《通用閥門 流量系數和流阻系數的試驗方法》測試及計算[8-11]。運用ISO 4126-1—2013《安全裝置超壓保護》附錄C 中的計算方法計算旋轉切換閥流道的流阻系數，且與實際工況較為吻合[12]。

2.1 結構模型

為方便設計計算，對旋轉切換閥的流道進行簡化，見圖3。簡化后，流道由2段彎管和3段直管平順連接而成，分別標記為彎管1、彎管2、直管1、直管2和直管3。

圖3 旋轉切換閥的流道簡化模型

2.2 設計計算

依據ISO 4126-1—2013《安全裝置超壓保護》附錄C計算流阻系數。對于直管，流阻系數ξ為管道的沿程阻力系數λ與管道的等效長度L/d的乘積。計算公式如下：

ξ=λL/d

其中

式中，Rm為粗糙度，d為管道直徑，L為管道長度，mm。

對于彎管，流阻系數需分情況計算。當δ≠90°時，可用如下公式計算。

當彎管的中心角δ=90°時，可直接查表獲得ζ值。彎管流阻系數ζ(δ=90°)見表1。

表1 彎管流阻系數ζ(δ=90°)

3 旋轉切換閥密封結構設計

旋轉切換閥的閥瓣需與兩側閥座均配合密封，因此閥瓣結構的設計需保證閥瓣能有一定自由度，實現自動找正，彌補閥瓣運動過程中造成的位置偏差。

為實現閥瓣的自動找正，對閥瓣與轉子的連接結構進行設計，見圖4。閥瓣進入轉子后螺紋脫扣，使閥瓣在一定范圍內可以自由活動。閥瓣的球形面受轉子斜面的推力，閥瓣與轉子的導向面有微小的間隙，可有一定的自由度，實現自行找正。閥瓣的螺紋進入轉子螺紋后脫開，既保證了閥瓣在密封找正時能靈活擺動，又保證在閥瓣切換時留在轉子中不脫落。

圖4 轉子與閥瓣連接處局部結構示圖

圖4中閥座與閥瓣區域的密封采用軟密封塊結構，也可根據不同的工況和密封要求選擇O型圈或者金屬環等結構[13]。初始密封時，閥座內的氣壓和閥瓣背面的氣壓相同，轉子在閥桿的帶動下，帶動閥瓣貼緊閥座。通過泄出閥泄放出閥座內的殘余氣體后，閥瓣背面的氣壓高于閥座內的氣壓，在壓差的作用下，閥座與閥瓣間的密封更加可靠。

4 旋轉切換閥切換結構設計

4.1 傳動結構

旋轉切換閥傳動結構設計見圖5。旋轉指示器通過螺釘緊固在閥桿頂端，可顯示閥桿轉動的角度，從而指示轉子的轉動角度，指示器最終指向在用的安全閥。鎖緊螺套與調整螺套通過螺紋相連接，由于鎖緊螺套與調整螺套相連的螺紋為左旋螺紋，因此當調整螺套上下運動時，鎖緊螺套始終與調整螺套一起運動。鋼珠位于鎖緊螺套、調整螺套及閥桿形成的凹槽內，將調整螺套的旋轉運動轉化為閥桿的垂直運動。鋼球是傳動結構設計中重要的傳動部件，必須保證其承受的載荷小于GB/T 308—2002《滾動軸承 鋼球》[14]中推薦的鋼球壓碎載荷。

圖5 閥桿及與傳動相關零件局部裝配簡圖

4.2 軌道結構

當實現切換功能時，閥瓣將旋轉180°到正對的另一側的閥座位置，這樣才能保證閥瓣和閥座的密封。為了使閥瓣順利旋轉到預定位置，在轉子下端裝入一個軌道螺釘，在底座上為軌道螺釘設計2個垂直軌道和1個半圓的周向軌道，見圖6。

轉子上的軌道螺釘軌道位于垂直軌道內時，轉子只能沿軌道上下運動。當軌道螺釘從垂直軌道脫出后，轉子可進行旋轉。轉子旋轉180°到正對的另一側閥座位置后，轉子才可沿該側的垂直軌道向上運動，確保閥瓣正對另一側閥座。與軌道球閥原理相似，旋轉切換閥的軌道結構設計保證了切換時密封面脫離接觸后才轉動，因此啟閉過程中閥體與閥座為無摩擦操作，有效地解決了密封面磨損問題[15]。

圖6 底座軌道結構示圖

5 結語

介紹了旋轉切換閥的工作原理和整體結構，從旋轉切換閥的流道結構、密封結構和傳動結構等重要結構設計展開分析。通過簡化旋轉切換閥流道，運用ISO 4126-1—2013《安全裝置超壓保護》工程算法快速計算流道的流阻系數，設計出滿足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的流道結構。設計閥瓣與轉子為大小圓弧結構，使閥瓣實現自動找正，從而彌補運動過程中的位置偏差，實現較好的密封。設計緊湊的傳動結構，用旋轉指示器指示旋轉方向，通過鋼珠將調整螺套的旋轉運動轉化為閥桿的垂直運動，并以底座的軌道限制轉子的運動方向，從而可以實現準確的切換。上述結構設計可以使旋轉切換閥具有較低的流阻系數、良好的密封性能和動作性能，滿足相關標準要求和實際應用的需求。