淺析金屬密封軌道球閥在消防系統(tǒng)中使用的可靠性

馬 磊

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

油氣站庫(kù)消防系統(tǒng)控制閥門(mén)多為蝶閥、閘閥、球閥。經(jīng)過(guò)歷年對(duì)油氣站庫(kù)消防專(zhuān)項(xiàng)檢查發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)閥門(mén)普遍存在使用周期短，易發(fā)生內(nèi)漏，并在帶壓情況下不易開(kāi)啟。在某年消防專(zhuān)項(xiàng)檢查中，某作業(yè)區(qū)油氣站庫(kù)35.2%消防控制閥門(mén)因使用年限較長(zhǎng)、水質(zhì)等原因?qū)е麻y門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)（閥門(mén)主要以蝶閥為主）發(fā)生內(nèi)漏，造成系統(tǒng)泄壓，泡沫混合液強(qiáng)度和冷卻水強(qiáng)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(jì)算三方面闡述軌道球閥的可靠性。

1 消防系統(tǒng)常用控制閥門(mén)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(yùn)動(dòng)方向與流體方向相垂直，閘閥在油氣站庫(kù)消防系統(tǒng)中主要使用在管徑較大的系統(tǒng)主管路中，用作全開(kāi)全關(guān)的作用。其次閘閥靠螺桿機(jī)械傳遞啟閉，啟閉行程大，時(shí)間長(zhǎng)，啟閉需力矩較大。在實(shí)際演練中閘閥常常需帶壓開(kāi)啟關(guān)閉，消防崗操作人員需頻繁操作閘閥開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)出口壓力，操作過(guò)程中耗時(shí)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(zhì)流量壓力較大，如當(dāng)閘閥處于半開(kāi)位置時(shí)，閘板會(huì)受流體沖蝕和沖擊而使密封面壽面縮短，還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)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(kù)消防系統(tǒng)中使用較多，其優(yōu)點(diǎn)主要有：一是啟閉省力、迅速，阻力小，重復(fù)操作率高；二是閥門(mén)在不帶壓情況下啟閉力矩較小，全開(kāi)時(shí)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(zhì)等因素影響密封性能。三是在消防系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，蝶閥開(kāi)啟需較大的力矩。

1.3 軌道球閥

軌道球閥與球閥組成結(jié)構(gòu)類(lèi)似，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥體、閥桿、球體、密封結(jié)構(gòu)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(kāi)啟關(guān)閉的時(shí)候球體上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)零摩擦運(yùn)動(dòng)。

1.4 工作原理

開(kāi)啟過(guò)程：

（1）閥芯在關(guān)閉位置，閥桿（銅色）機(jī)械施壓閥芯（黃色）擠壓閥座（橙色）。

（2）當(dāng)開(kāi)啟轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，閥桿向上帶動(dòng)角形平面使閥芯偏離閥座。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)手輪后閥門(mén)偏離閥座分析圖

（3）閥桿提升與閥桿導(dǎo)銷(xiāo)作用，開(kāi)始無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)閥芯。

（4）全開(kāi)時(shí)，閥桿到極限位置，閥芯全開(kāi)通。

圖3 閥桿中閥門(mén)開(kāi)通過(guò)程

關(guān)閉過(guò)程：

（1）關(guān)閥時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。閥桿下降帶動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)。

（2）繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，閥桿與導(dǎo)銷(xiāo)相互作用，閥桿帶動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)90°。

圖4 閥桿帶動(dòng)閥門(mén)旋轉(zhuǎn)90o后結(jié)構(gòu)圖

（3）閥芯處于閥座無(wú)接觸情況并旋轉(zhuǎn)90°。

（4）手輪轉(zhuǎn)到最后，角形平面機(jī)械地楔壓迫球芯，使其關(guān)閉。

圖5 角形平面機(jī)械地楔壓迫球芯

優(yōu)點(diǎn)：一是開(kāi)關(guān)無(wú)磨損。球芯偏離閥座后在轉(zhuǎn)動(dòng)消除了閥座的摩擦，解決了摩擦損耗問(wèn)題。二是低扭矩操作。球閥開(kāi)啟只需用手輪轉(zhuǎn)動(dòng)即可（大口徑球閥需配備齒輪箱，開(kāi)啟同樣較省力）。因球面截?cái)嚅y密封面無(wú)摩擦，轉(zhuǎn)動(dòng)較容易，需扭力較小。三是以保證閥門(mén)具有長(zhǎng)期的、持續(xù)的緊密密封特性。

圖6 閥門(mén)實(shí)際開(kāi)啟操作過(guò)程

2 軌道球閥使用力矩計(jì)算

軌道球閥與一般球閥不同，它由密封球面S1和支撐結(jié)構(gòu)球面S2兩個(gè)球面及一個(gè)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(nèi)滾動(dòng)時(shí)中心高度不變，以實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)

閥門(mén)關(guān)閉時(shí)球體受力分析為：∑X=0。

式中：Fj—作用在球體上的介質(zhì)力，N。Fm—密封力，N。Fb—關(guān)閉時(shí)閥桿對(duì)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(mén)開(kāi)啟時(shí)，球體受力：

式中：F'b-----開(kāi)啟時(shí)閥桿對(duì)球體的作用力，N。f'm-----開(kāi)啟時(shí)密封力之間的摩擦力，N。

計(jì)算表明，密封面靜摩擦系數(shù)的重要因素為法向壓力與靜止時(shí)間。

2.2 閥桿

圖8 閥桿功能具體結(jié)構(gòu)

閥桿有A、B、C、D功能段。A為直線運(yùn)動(dòng)控制段，B為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制段，C為球體松壓段，D為球體旋轉(zhuǎn)段。

閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，閥桿受力：

式中F—關(guān)閉時(shí)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(mén)開(kāi)啟時(shí)，閥桿受力：

式中：F’—開(kāi)啟時(shí)手輪作用于閥桿的垂直分力，N。

將式(1)和式(2)的計(jì)算結(jié)果分別代入式(3)和式(4)，可求出相應(yīng)的F和F′。

2.3 手輪和閥桿組成的平衡系統(tǒng)

平衡系統(tǒng)上的主動(dòng)力(矩)為作用于手輪上的力偶(Fs/2，F(xiàn)‘s/2)，閥桿梯形螺紋處的摩擦力矩M1，球體對(duì)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(guān)閉時(shí)：

開(kāi)啟時(shí)：

式中：Fs—作用在手輪上的圓周力，N、Fs≤750N、Ds—手輪直徑，mm、由機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)關(guān)系知，對(duì)于單頭螺紋，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，螺桿上升或下降一個(gè)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(guān)閉時(shí)所需的手輪驅(qū)動(dòng)力Fs和開(kāi)啟時(shí)所需的手輪驅(qū)動(dòng)力F‘s。

若忽略各種摩擦力(矩)，則機(jī)構(gòu)力的放大倍數(shù)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(jì)算公式為：

從計(jì)算結(jié)果可以得出，軌道球閥還具有啟閉省力之優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

軌道球閥采用簡(jiǎn)單、有效的運(yùn)動(dòng)方式協(xié)調(diào)控制密封接觸面的分離、旋轉(zhuǎn)與壓緊，實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程無(wú)摩擦，零泄漏，操作低扭矩。建議在油氣站庫(kù)消防系統(tǒng)改造時(shí)采用此類(lèi)閥門(mén)。