淺析金屬密封軌道球閥在消防系統中使用的可靠性

馬 磊

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

油氣站庫消防系統控制閥門多為蝶閥、閘閥、球閥。經過歷年對油氣站庫消防專項檢查發現，此類閥門普遍存在使用周期短，易發生內漏，并在帶壓情況下不易開啟。在某年消防專項檢查中，某作業區油氣站庫35.2%消防控制閥門因使用年限較長、水質等原因導致閥門關閉不嚴（閥門主要以蝶閥為主）發生內漏，造成系統泄壓，泡沫混合液強度和冷卻水強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算三方面闡述軌道球閥的可靠性。

1 消防系統常用控制閥門介紹

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，閘板的運動方向與流體方向相垂直，閘閥在油氣站庫消防系統中主要使用在管徑較大的系統主管路中，用作全開全關的作用。其次閘閥靠螺桿機械傳遞啟閉，啟閉行程大，時間長，啟閉需力矩較大。在實際演練中閘閥常常需帶壓開啟關閉，消防崗操作人員需頻繁操作閘閥開啟和關閉來調節進出口壓力，操作過程中耗時耗力，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，介質流量壓力較大，如當閘閥處于半開位置時，閘板會受流體沖蝕和沖擊而使密封面壽面縮短，還會產生振動和噪聲。

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。在油氣站庫消防系統中使用較多，其優點主要有：一是啟閉省力、迅速，阻力小，重復操作率高；二是閥門在不帶壓情況下啟閉力矩較小，全開時流體阻力較小。二是密封面材料一般采用橡膠、塑料材料，受天氣溫度、水質等因素影響密封性能。三是在消防系統運行過程中，蝶閥開啟需較大的力矩。

1.3 軌道球閥

軌道球閥與球閥組成結構類似，一般由執行機構、閥體、閥桿、球體、密封結構等部分組成。軌道球閥不同的是在閥桿上有軌道，用于球體在開啟關閉的時候球體上下運動實現零摩擦運動。

1.4 工作原理

開啟過程：

（1）閥芯在關閉位置，閥桿（銅色）機械施壓閥芯（黃色）擠壓閥座（橙色）。

（2）當開啟轉動手輪時，閥桿向上帶動角形平面使閥芯偏離閥座。

圖2 轉動手輪后閥門偏離閥座分析圖

（3）閥桿提升與閥桿導銷作用，開始無摩擦旋轉閥芯。

（4）全開時，閥桿到極限位置，閥芯全開通。

圖3 閥桿中閥門開通過程

關閉過程：

（1）關閥時轉動手輪。閥桿下降帶動閥芯旋轉。

（2）繼續轉動，閥桿與導銷相互作用，閥桿帶動閥芯旋轉90°。

圖4 閥桿帶動閥門旋轉90o后結構圖

（3）閥芯處于閥座無接觸情況并旋轉90°。

（4）手輪轉到最后，角形平面機械地楔壓迫球芯，使其關閉。

圖5 角形平面機械地楔壓迫球芯

優點：一是開關無磨損。球芯偏離閥座后在轉動消除了閥座的摩擦，解決了摩擦損耗問題。二是低扭矩操作。球閥開啟只需用手輪轉動即可（大口徑球閥需配備齒輪箱，開啟同樣較省力）。因球面截斷閥密封面無摩擦，轉動較容易，需扭力較小。三是以保證閥門具有長期的、持續的緊密密封特性。

圖6 閥門實際開啟操作過程

2 軌道球閥使用力矩計算

軌道球閥與一般球閥不同，它由密封球面S1和支撐結構球面S2兩個球面及一個垂直撬桿孔D組成。球體中心線與閥座中心線重合，球體在閥體內滾動時中心高度不變，以實現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構

閥門關閉時球體受力分析為：∑X=0。

式中：Fj—作用在球體上的介質力，N。Fm—密封力，N。Fb—關閉時閥桿對球體的作用力，N。fm—密封面之間的摩擦力，N。fb—閥桿球體間的摩擦力，N。

閥門開啟時，球體受力：

式中：F'b-----開啟時閥桿對球體的作用力，N。f'm-----開啟時密封力之間的摩擦力，N。

計算表明，密封面靜摩擦系數的重要因素為法向壓力與靜止時間。

2.2 閥桿

圖8 閥桿功能具體結構

閥桿有A、B、C、D功能段。A為直線運動控制段，B為旋轉運動控制段，C為球體松壓段，D為球體旋轉段。

閥門關閉時，閥桿受力：

式中F—關閉時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。

閥門開啟時，閥桿受力：

式中：F’—開啟時手輪作用于閥桿的垂直分力，N。

將式(1)和式(2)的計算結果分別代入式(3)和式(4)，可求出相應的F和F′。

2.3 手輪和閥桿組成的平衡系統

平衡系統上的主動力(矩)為作用于手輪上的力偶(Fs/2，F‘s/2)，閥桿梯形螺紋處的摩擦力矩M1，球體對閥桿的反力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。

關閉時：

開啟時：

式中：Fs—作用在手輪上的圓周力，N、Fs≤750N、Ds—手輪直徑，mm、由機構的傳動關系知，對于單頭螺紋，手輪轉動一圈，螺桿上升或下降一個螺距(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)中即可得出關閉時所需的手輪驅動力Fs和開啟時所需的手輪驅動力F‘s。

若忽略各種摩擦力(矩)，則機構力的放大倍數為：

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算公式為：

從計算結果可以得出，軌道球閥還具有啟閉省力之優點。

3 結語

軌道球閥采用簡單、有效的運動方式協調控制密封接觸面的分離、旋轉與壓緊，實現了閥門開關過程無摩擦，零泄漏，操作低扭矩。建議在油氣站庫消防系統改造時采用此類閥門。