浅析带过流阀的紧急切断阀设计与研究

    液氯的用途极为广泛，如制造农药、漂白剂、医药、无机氯化物、塑料制品和合成纤维等。但是，液氯是剧毒物质，其化学性质极为活泼，是一种强氧化剂，对多种物质有极强的腐蚀性。带过流阀的紧急切断阀可以保证液氯贮运过程中的操作安全，但其使用效果不好，液氯介质的腐蚀性和悬浮粘稠氯化物使驱动机构锈固或粘滞、调节阀不能开关。经过多次研究设计了新型带过流阀的紧急切断阀。
一、工作原理
    利用新型带过流阀的紧急切断阀（图1）充装介质时，由液压系统（液压动力元件手压泵）动力源施加液压驱动油缸活塞推动阀顶端凸轮压下阀杆，同时压缩大弹簧打开先导阀。此时罐内压通过阀杆与浮动阀瓣间的疏导缝隙与阀内腔快速形成压力平衡，使之浮动阀瓣打开（在小弹簧的传导下推力加上浮动阀瓣的自由落体），然后再缓慢开启上端截止阀，完成阀门的开启。
    放泄介质时，阀门关闭，装泄系统泵压停止（2～3min）后（系统整体压力成平衡状态）由手压泵泄掉驱动液压，释放大弹簧，由大弹簧的释放力使先导阀和浮动阀瓣关闭后再关闭上端截止阀，完成阀门的关闭。
二、材料选择
    1、阀体和阀盖
    阀体和阀盖直接与介质接触，承受介质压力及腐蚀，所用材料在规定的介质温度和压力作用下必须达到力学性能以及良好的冷、热加工工艺性。由于阀体和阀盖形状比较复杂，因此采用铸造成型方法。鉴于紧急切断阀都安装在三类压力容器上，且介质有剧毒和强腐蚀性，阀体的铸造质量尤为重要。近几年精密铸造工艺大量应用，因此在公称尺寸DN≤50mm时，阀体和阀盖采用精密铸造的LCB钢铸件或25、35钢。
    2、密封副
    由于紧急切断阀用于贮运液氯介质的装置上，其密封面材料必须耐液氯的腐蚀和冲蚀。此外，由于该类阀门的密封力主要是介质压力和弹簧力，不可加很大的密封力，所以密封副选择聚四氟乙烯和铬镍不锈钢组合结构。聚四氟乙烯的耐腐蚀性好，摩擦系数小，化学稳定性强，适合在液氯介质中使用。铬镍不锈钢（常用的牌号0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti）有良好的耐腐蚀性、耐低温性和耐冲蚀性，相对适用于液氯介质，其使用温度范围可在-196～600℃内。密封面和本体材料的线膨胀系数应该接近，而且镶密封圈的结构也很重要，以免在额外的应力作用下产生松动。
    3、弹簧材料
    弹簧是紧急切断阀的关键零件，大弹簧的质量影响阀门的密封性能及使用寿命，小弹簧的质量则影响过流切断性能，而弹簧质量很大程度上取决于弹簧的材料。相对适应的紧急切断阀弹簧材料为1Cr18Ni9类奥氏体不锈钢，只要处理得当，既能耐液氯的腐蚀，又能保证弹簧的质量。
    4、先导阀和过流阀等内件
    先导阀和过流阀等内件是阀体内部直接与介质接触的零件，若这些零件受到介质的腐蚀，则直接影响紧急切断阀的寿命，严重时还会出现安全事故。所以与介质直接接触的零件选用奥氏体类不锈钢，再根据不同的使用要求，确定不同的热处理方法。

    5、O形圈
    紧急切断阀上使用的包覆O形圈具有防止介质外漏、耐液氯腐蚀性能，其外层为聚四氟乙烯圆环、内层为硅橡胶圈，胶层适用于工况温度，耐老化。包覆O形圈是抗强氧化性介质腐蚀的优良密封元件。
三、强度校核
    1、阀体壁厚
    阀体是紧急切断阀的主要承压件，阀体壁厚的计算除了考虑强度之外，还应考虑其刚度，否则会出现因受力变形而报废的现象。紧急切断阀阀体属于圆筒形，按薄壁容器进行计算，其壁厚S_B按第四强度理论校核。

    式中S_B———考虑腐蚀裕量时阀体的壁厚，mm
    DN_内———阀体中腔最大内径，mm
    P———设计压力（取公称压力PN），MPa
    [σ_L]———材料的许用拉应力，MPa
    C———附加的裕量（表1），mm


    2、阀体中法兰
    阀体中法兰是与贮运罐体连接的法兰，法兰必须保证在工作压力下有足够的强度与密封性。
    （1）螺栓的总计算载荷
    螺栓的总计算载荷取Q_LZ（Q_YJ+χQ_g）与（Q_DF+Q_g）两者中的较大值。
    无介质时，为了使垫片屈服，以造成紧密连接所必须的预紧力Q_YJ为
    Q_YJ=πD_DPb_DSqYJ
    式中Q_YJ———垫片预紧力，N
    D_DP———垫片平均直径，mm
    b_DS———垫片挤压的有效宽度，mm
    q_YJ———预紧比压，MPa
    有介质时，垫片上必须的密封力Q_DF为Q_DF=2πD_DPb_DSm_DPP
    式中 Q_DF———工作状态时，垫片上必须的密封力，N
    m_DP———垫片系数螺栓的工作载荷Q_g为Qg=Q_DJ
    式中 Q_DJ———垫片处介质静压力，N
    Q_DJ=D_DP²P
    螺栓的外载菏系数χ约为0.2～0.3。
    （2）螺栓强度
    根据螺栓的总计算载荷验算螺栓的强度，常温时螺栓的拉应力σ_L为

    式中 F_L———螺栓总截面积，mm²
    （3）法兰强度
    确定螺栓载荷以后，进行法兰强度计算。
    法兰颈的轴向弯曲应力σ_W1为


    法兰盘的径向弯曲应力σ_W2为

    法兰盘的环向弯曲应力为


    式中f———应力校正系数（根据选取）
    h_J———法兰颈高度，mm
    h_J=5（S_m-S_B）
    M_Z———作用在法兰上的总弯矩，N·mm
    M_Z=Q_NJI₁+（Q_DJ-Q_NJ）I₂+Q_DI₃
    Q_NJ———法兰内径面积上的介质静压力，N


    Q_D———垫片载荷，N
    Q_D=Q_LZ-Q_g
    I₁、I₂、I₃———力臂，mm


    λ———系数


    h———法兰厚度，mm
    e———系数

    F———法兰形状系数（根据查图表选取）
    T———系数（根据法兰外径与内径比K=D₃/DN查图表选取）
    k———系数，mm³

    U———系数（根据k值查图表选取）
    [σ_WJ]———法兰颈的许用弯曲应力（[σ_WJ]=1.5[σ_L]），MPa
    [σ_WP]———法兰盘的许用弯曲应力（[σ_WP]=1.25[σ_L]），MPa
    Y、Z———系数（根据k值查图表选取）

    3、导阀的稳定性
    开启紧急切断阀时，先导阀承受轴向压力，对于这类细长杆，除应满足强度条件之外，还应校验其直线形状平衡的稳定性。
    先导阀的细长比（即柔度）δ为

    式中d_F———先导阀直径，mm
    L_F———先导阀计算长度（两导向面中点的距离），mm
    μ———长度系数（查图表选取）
    δ₁———常温时细长比的下限（查图表选取）
    先导阀稳定性通常只按常温工况进行验算，当δ≤δ₁时，为低细长比压杆，不进行稳定性验算。当δ₁<δ<δ₂时（δ₂为常温中细长比的上限），为中细长比压杆，须满足稳定条件。
    σ_γ≤[σ_γ]_W1
    式中  σ_γ———阀杆的压应力，MPa

    Q_F2′———常温关闭时弹簧及介质作用在先导阀上的轴向力，N
    [σ_γ]_W1———中细长比压杆稳定的许用应力，MPa

    a、b———依赖于材料性质的系数，MPa
    n_w———稳定安全系数（n_w=2.5）
    当δ≥δ₂时，为高细长比压杆，须满足稳定条件
    σ_γ≤[σ_γ]_W2
    式中[σγ]W2———高细长比压杆的稳定许用应力，MPa

    E———常温时先导阀材料的弹性模数（E=2.02×10⁷），MPa
四、弹簧计算
    在紧急切断阀中，使用大小2个压缩弹簧。大弹簧是保证先导阀和过流阀的密封，根据保证密封所需的力进行计算。小弹簧是为了克服过流阀瓣的重力和调节紧急切断阀的过流量，根据过流阀瓣的质量和当紧急切断阀工作过程中，达到额定过流量所造成的过流阀瓣前后压差进行计算。
五、结构性能
    新型带过流阀的紧急切断阀与原带过流阀的紧急切断阀结构性能对比见表2。


六、结论
    新型带过流阀的紧急切断阀适用于液氯贮运装置的工况条件， 结构紧凑， 操作方便， 其增设的辅助驱动机构有利于排除阀门启闭中出现的阻滞等故障， 为安全生产提供了保障。

    参考资料
    上海化工学院， 成都科技大学， 大连工学院。 化学工程（M）。 上海: 上海科学技术出版社， 1986。
    石智豪。 压力容器介质手册（M）。 北京: 北京科学技术出版社， 1992。
    沈鸿。 机械工程手册（M）。 北京: 机械工业出版社， 1982。

• 上一篇：浅议蝶式截止阀的结构设计
• 下一篇：浅议双偏心软密封防火蝶阀的结构设计及技术要点