一種防止閥門自關(guān)閉鎖定裝置的研究設(shè)計(jì)

顧祥武， 湯馳， 欒俊， 鄒林峰， 郭文峰

（白鶴灘電廠籌建處 運(yùn)行部，四川 涼山615400）

0 引言

閥門是在流體系統(tǒng)中，用來(lái)控制流體的方向、壓力、流量的裝置，是使配管和設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)（液體、氣體、粉末）流動(dòng)或停止并能控制其流量的裝置[1]。運(yùn)行中的閥門是不允許有松動(dòng)現(xiàn)象的。但在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一些供水、供油管路上的小型控制閥由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，安裝在一些大流量、高壓力、振動(dòng)劇烈的管道上時(shí)，多次出現(xiàn)閥門自關(guān)閉或自開(kāi)啟的現(xiàn)象，給設(shè)備的運(yùn)行帶來(lái)了較大的安全隱患。根據(jù)調(diào)研，很多安裝在管路上用于流量及壓力控制的閥門處在全開(kāi)至全關(guān)之間的某一位置，此類閥門出現(xiàn)自關(guān)閉或自開(kāi)啟的頻率非常高。而調(diào)研的這些大型水力發(fā)電廠設(shè)備上供油、供水管道上出現(xiàn)過(guò)自關(guān)閉或自開(kāi)啟現(xiàn)象的閥門，目前并沒(méi)有較好的解決辦法。

本文提出一種防止閥門自關(guān)閉鎖定裝置的設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)闡述了鎖定裝置的制動(dòng)原理、組成結(jié)構(gòu)、操作方法，為這些大型水電站解決閥門在運(yùn)行中的自關(guān)閉現(xiàn)象提供了一種參考。同時(shí)也通過(guò)自主創(chuàng)新，研制出一種防止閥門自關(guān)閉的鎖定裝置，對(duì)閥門可靠性方面的提升有一定促進(jìn)作用。

1 案例分析

某大型電廠在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，曾出現(xiàn)過(guò)多臺(tái)機(jī)組純水系統(tǒng)離子交換器回路流量過(guò)低報(bào)警情況，經(jīng)檢查均為純水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中由于振動(dòng)造成離子交換回路流量控制針型閥自行關(guān)閉，從而導(dǎo)致管路流量降低、離子交換較少、定子線棒導(dǎo)電率升高的不安全事件。而該電廠目前所采取的臨時(shí)措施（采用鐵絲或者扎帶對(duì)閥盤進(jìn)行綁扎）效果均不理想。調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，該電廠調(diào)速器液壓系統(tǒng)集油槽冷卻器進(jìn)油蝶閥也出現(xiàn)過(guò)幾次自關(guān)閉現(xiàn)象，最終導(dǎo)致集油槽油溫快速升高的不安全事件。某大型水電廠純水流量控制針型閥如圖1所示。

通過(guò)對(duì)此類發(fā)生過(guò)自關(guān)閉閥門的結(jié)構(gòu)及工作原理分析知，造成閥門自關(guān)閉的原因是這些閥門在實(shí)際運(yùn)行中的開(kāi)度一般都在中間開(kāi)度，當(dāng)流體在通過(guò)塞體時(shí)產(chǎn)生的渦流對(duì)塞體的作用力大于操作機(jī)構(gòu)的制動(dòng)力時(shí)，導(dǎo)致閥門自關(guān)閉或自開(kāi)啟。此類閥門一旦安裝在一些容易振動(dòng)的管路上時(shí)，管路的長(zhǎng)期振動(dòng)必然會(huì)造成閥門的閥體出現(xiàn)松動(dòng)，從而導(dǎo)致閥門本身的制動(dòng)力進(jìn)一步減小，大大增加了閥門自關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。由于閥門自關(guān)閉現(xiàn)象都是出現(xiàn)在已投運(yùn)的設(shè)備上，如果對(duì)此類閥門進(jìn)行換型改造，一是設(shè)備運(yùn)行方式不允許，二是實(shí)施成本及工作量較大。

圖1 某大型水電廠純水流量控制針型閥

目前，通過(guò)對(duì)某公司管轄的幾個(gè)大型水力發(fā)電廠設(shè)備管道上的一些小管徑閥門統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，這些小管徑閥門大多沒(méi)有設(shè)置閥門限制裝置。使用沒(méi)有限制裝置的閥門，一旦安裝在一些大流量、高壓力、振動(dòng)劇烈的管道上時(shí)，大都會(huì)出現(xiàn)閥門自關(guān)或自開(kāi)現(xiàn)象。為應(yīng)對(duì)此問(wèn)題，需要在閥門操作機(jī)構(gòu)上安裝限制裝置，本文擬研究設(shè)計(jì)出一套防止閥門自關(guān)的鎖定裝置，用于解決設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中閥門自關(guān)閉問(wèn)題。

2 研究方向

鎖定裝置研究設(shè)計(jì)目的是解決設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中閥門自關(guān)閉問(wèn)題，是以問(wèn)題為導(dǎo)向而進(jìn)行的研究設(shè)計(jì)工作，故前期做了大量的調(diào)研、資料收集、原理分析設(shè)計(jì)等工作。

以圖1中的純水流量控制針型閥作為研究對(duì)象，對(duì)該閥門的型號(hào)、結(jié)構(gòu)、尺寸等進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，擬研究設(shè)計(jì)出一套防止閥門自關(guān)閉的鎖定裝置，裝置能實(shí)現(xiàn)以下功能：1）閥門正常時(shí)在關(guān)方向制動(dòng)，開(kāi)方向有一定制動(dòng)力，解開(kāi)裝置后，閥門可以自由開(kāi)關(guān)。2）對(duì)當(dāng)前沒(méi)有設(shè)置防自關(guān)閉功能的閥門，只需拆除原閥門的閥盤，將本裝置安裝上即可解決其自關(guān)閉問(wèn)題，不會(huì)對(duì)整個(gè)閥門的本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。3）通用性高，易于推廣。裝置的研究設(shè)計(jì)可依托現(xiàn)有閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造及組裝，研制成果同樣適用于閥門防自開(kāi)功能，且可推廣至存在自關(guān)閉或自開(kāi)啟的各種閥門。4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低。鎖定裝置應(yīng)易于操作，且裝置總成本費(fèi)用應(yīng)遠(yuǎn)小于采購(gòu)一個(gè)新閥門的成本價(jià)格。

3 鎖定裝置設(shè)計(jì)

3.1 原理分析及計(jì)算

管道上閥門出現(xiàn)自關(guān)閉現(xiàn)象主要是通過(guò)閥門的介質(zhì)所形成的渦流作用在閥芯上的轉(zhuǎn)矩大于閥門的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，尤其是閥芯處于半開(kāi)狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)所產(chǎn)生的渦流反復(fù)作用于閥芯，直至造成閥門自關(guān)閉。

介質(zhì)流過(guò)閥芯的渦流需依據(jù)閥門的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如蝶閥，介質(zhì)流過(guò)蝶盤時(shí)在蝶盤后產(chǎn)生渦流，但蝶盤兩側(cè)的渦流是不平衡的，于是會(huì)在蝶盤上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的計(jì)算也是相當(dāng)復(fù)雜的。閥門的操作轉(zhuǎn)矩隨著閥芯與閥座的摩擦、閥軸與填料的摩擦及介質(zhì)對(duì)閥芯的推力壓緊程度的不同而改變，只能用儀表測(cè)量。而介質(zhì)對(duì)閥芯的推力，則可以通過(guò)公式計(jì)算得出。

介質(zhì)對(duì)閥芯產(chǎn)生推力，閥門的閥芯必會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向轉(zhuǎn)矩，這個(gè)反向轉(zhuǎn)矩是文中鎖定裝置研究設(shè)計(jì)需參考的重要參數(shù)，反向轉(zhuǎn)矩也稱為閥門的制動(dòng)力矩，可通過(guò)下面公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：A為閥門口徑面積；P為所承受的壓力（即閥門工作壓力）得出軸所承受的靜壓力；μ為摩擦因數(shù)（一般鋼鐵間的摩擦因數(shù)取0.1，鋼對(duì)橡膠的摩擦因數(shù)取0.15）；d為軸徑。如果是電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，制動(dòng)力矩需乘以1.2～1.5倍的安全系數(shù)。

以圖1中閥門為例進(jìn)行計(jì)算，測(cè)得閥門的過(guò)流直徑為25 mm，閥門公稱壓力為10 MPa，閥軸直徑為10 mm，計(jì)算得到閥門的轉(zhuǎn)矩為74 N·m。乘以安全系數(shù)1.5后得到閥門最大轉(zhuǎn)矩為111 N·m。考慮到止動(dòng)裝置最關(guān)鍵的止動(dòng)閥盤是鑄造的，加上正常人手力所能達(dá)到的范圍是60～120 N，所以止動(dòng)裝置的彈簧是不能超過(guò)這個(gè)值的，所以選擇止動(dòng)裝置最大轉(zhuǎn)矩為200 N·m。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鎖定裝置既可適用于新閥門的設(shè)計(jì)制造上，也可用在現(xiàn)有未設(shè)置防自關(guān)閉的閥門上。鎖定裝置整體設(shè)計(jì)圖如圖2所示, 鎖定裝置主要部件組裝模型三維圖如圖3所示，示意圖如圖4所示。

圖2 鎖定裝置整體設(shè)計(jì)圖

圖3 模型三維圖

圖4 裝置組裝示意圖

裝置包括與閥門本體連接的底座，底座上側(cè)設(shè)有第一限位銷，底座上方設(shè)有兩個(gè)閥盤，兩個(gè)閥盤的相對(duì)側(cè)設(shè)有相互嚙合的輪齒，閥盤上設(shè)有卡槽，第一限位銷插裝在下側(cè)的閥盤的卡槽內(nèi)，底座和下側(cè)的閥盤之間設(shè)有彈簧，底座及閥盤上設(shè)有供閥桿穿過(guò)的通孔，上側(cè)的閥盤上側(cè)設(shè)有連接件，連接件側(cè)部設(shè)有與上側(cè)的閥盤的卡槽相配合的第二限位銷，連接件中心設(shè)有與閥桿上端配合的多邊形孔。

4 實(shí)現(xiàn)原理

如圖2所示，閥門本體1通過(guò)自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的銷與閥盤1自身的卡槽進(jìn)行連接，閥盤1與閥盤2通過(guò)齒輪嚙合，彈簧7用于復(fù)位與制動(dòng)功能，底座5用于支撐。裝置實(shí)現(xiàn)原理如下。

1）拆除原閥門的閥盤，將本鎖定裝置套入原閥盤的閥桿（針對(duì)現(xiàn)有閥門的改造）。

2）閥門使用狀態(tài)，在彈簧7的作用下，下側(cè)的閥盤4和底座2之間不接觸，兩個(gè)閥盤4的輪齒相嚙合，通過(guò)底座2與下側(cè)的閥盤4的卡合、兩個(gè)閥盤4之間的嚙合及上側(cè)的閥盤4與連接件9的卡合實(shí)現(xiàn)對(duì)閥桿8轉(zhuǎn)動(dòng)的限制，實(shí)現(xiàn)鎖定。

3）當(dāng)需要進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)時(shí)，向下按壓下側(cè)的閥盤4，上、下側(cè)閥盤4分離，轉(zhuǎn)動(dòng)連接件9，將閥門設(shè)置到合適的開(kāi)度。調(diào)節(jié)完成后，松開(kāi)下側(cè)的閥盤4，在彈簧7的作用下，下側(cè)的閥盤4向上移動(dòng)，兩個(gè)閥盤4重新嚙合，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

5 結(jié)論

鎖定裝置是基于前期充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，為解決生產(chǎn)實(shí)際中閥門自關(guān)閉問(wèn)題所進(jìn)行的一項(xiàng)研究設(shè)計(jì)工作。本文對(duì)鎖定裝置的設(shè)計(jì)原理、組成結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，為鎖定裝置的加工制作提供了一套完整的方案?？傮w來(lái)說(shuō)，裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低。鎖定裝置由閥盤連接件、彈簧、閥盤、底座等部件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工及組裝容易。

2）易操作、可靠性高。鎖定裝置通過(guò)齒輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閥門在關(guān)方向可靠制動(dòng)，解開(kāi)裝置后，閥門可以自由開(kāi)關(guān)。

3）通用性高。鎖定裝置的研制成果可依據(jù)現(xiàn)有閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)、制造及組裝，通用性高。

4）應(yīng)用空間廣泛?？善毡閼?yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)組管道上的各種小型閥門，存在自開(kāi)啟問(wèn)題的閥門同樣適用。

鎖定裝置已在白鶴灘水力發(fā)電廠籌建處工區(qū)供水管道上使用，使用過(guò)程中對(duì)閥門的開(kāi)度位置進(jìn)行了調(diào)節(jié)試驗(yàn)，運(yùn)行中未出現(xiàn)過(guò)閥門自關(guān)閉和自開(kāi)啟現(xiàn)象，使用效果良好。鎖定裝置提高了機(jī)組輔助設(shè)備關(guān)鍵閥門的可靠性，減少機(jī)組非停率。以白鶴灘電廠因設(shè)備可靠性一年損失單機(jī)1 h電量（106kW·h）和水電廠平均上網(wǎng)電價(jià)0.246元計(jì)算，扣除電力增值稅17%后，每度電凈收入為0.21元，共計(jì)節(jié)約21萬(wàn)元。