氣動(dòng)緊急切斷閥緊急關(guān)閉防撞結(jié)構(gòu)的研究

劉夢仙，李剛，李曉蘭，張彬彬

(天津市華油漢威科技發(fā)展有限公司，天津 300074)

緊急切斷閥[1]主要應(yīng)用在主要原料的加工管路，高危險(xiǎn)物料的加工處理管路及儲(chǔ)存運(yùn)輸管路中。緊急切斷閥包括閥體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由位于控制中心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，也可以在現(xiàn)場操作，在火災(zāi)或者其他危險(xiǎn)工況時(shí)，要求執(zhí)行器能夠快速響應(yīng)并驅(qū)動(dòng)閥門迅速關(guān)閉實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉，以減少物料的損失，或者避免高溫高壓及危險(xiǎn)物料流散至空氣中或者下游，造成人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失。執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥門迅速關(guān)閉的過程中，閥芯與密封組件之間會(huì)由于快速關(guān)閉而產(chǎn)生非常大的沖擊力，反作用于密封組件和閥芯，容易造成密封組件的損壞[2]，如果介質(zhì)中含有顆粒物，密封組件的損壞概率會(huì)更大，從而影響閥門的密封性能，造成閥門泄漏。不僅給用戶帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，更可怕的是一旦閥門泄漏，危險(xiǎn)物料會(huì)逸散到空氣中威脅生命和環(huán)境安全。本文針對(duì)油氣行業(yè)氣動(dòng)緊急切斷閥的安全性提出了切斷閥快關(guān)并緩慢閉合(簡稱為“快關(guān)慢合”)的概念[3]，并提供一種能實(shí)現(xiàn)切斷閥“快關(guān)慢合”的設(shè)計(jì)方法，既能加快閥門的運(yùn)動(dòng)速度又能減輕驅(qū)動(dòng)力，該方法在閥門接近關(guān)閉時(shí)能有效地減小驅(qū)動(dòng)力，從而減弱驅(qū)動(dòng)力對(duì)閥門密封組件壽命的影響程度，有效地增強(qiáng)閥門的安全性[4]。

1 切斷閥實(shí)現(xiàn)“快關(guān)慢合”的技術(shù)和現(xiàn)狀

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為單作用和雙作用兩種，不管是單作用還是雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要加快氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，通常的方法就是增大進(jìn)氣口和排氣口的口徑，來增大進(jìn)氣量和排氣量[5]。

一種撥叉式單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制原理[6]如圖1所示，圖1中Port1為單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣口，Port2為其排氣口，兩位三通電磁換向閥通電后，壓力氣源經(jīng)過過濾減壓閥、電磁閥、快排閥后進(jìn)入Port1，高壓氣體推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)，經(jīng)由Port2、單向閥、消音器排氣，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)排氣口帶動(dòng)撥叉偏轉(zhuǎn)，壓緊彈簧腔內(nèi)的彈簧，打開閥門。當(dāng)電磁閥斷電或者失氣后，彈簧因處于壓縮狀態(tài)回彈，推動(dòng)活塞和撥叉運(yùn)動(dòng)，經(jīng)由Port1、快排閥、單向閥、消音器排氣，關(guān)閉閥門。如上所述，為了使閥門能夠快速關(guān)閉，采用增大進(jìn)排氣口口徑和進(jìn)排氣管路管徑方法，增大氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單位時(shí)間內(nèi)的排氣量[7]，從而加快氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)活塞和撥叉的運(yùn)動(dòng)速度，使得閥門閥芯快速關(guān)閉。

圖1 撥叉式單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制原理示意

2 切斷閥緊急關(guān)閉防撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

目前，雖然常用增加進(jìn)氣口和排氣口口徑的方法來加速氣缸的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷閥門，但是該方法會(huì)使閥門在關(guān)閉的過程中承受很大的關(guān)閉扭矩[8]，該作用力對(duì)閥門內(nèi)件的損壞比較嚴(yán)重，造成閥門泄漏，影響閥門的壽命和管路的安全性[9]。而且隨著氣缸彈簧的釋放，閥門關(guān)閉過程中，關(guān)閉扭矩并不是一個(gè)定值。以氣動(dòng)偏心蝶閥為例，在氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧釋放的瞬間，關(guān)閉扭矩克服閥桿與軸套、填料之間以及蝶板與閥座之間的靜摩擦力，作用于閥桿和蝶板，隨著閥桿與蝶板的轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿與閥座發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，阻力減小，在蝶板即將關(guān)閉的瞬間，關(guān)閉扭矩作用于閥門的閥座和蝶板之間，使得蝶板和閥座之間產(chǎn)生很大的相互作用力[10]，嚴(yán)重影響蝶板和閥座的服役壽命。如果蝶板和閥座之間的介質(zhì)中夾雜著顆粒物，顆粒物會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞密封面，造成閥門泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成閥門密封失效[11]，這種損壞是突然的, 屬于不可探測的危險(xiǎn)失效[12]，很可能會(huì)給整個(gè)裝置帶來不可估量的損失。

為了避免出現(xiàn)上述不可探測的危險(xiǎn)失效[13]，基于圖1所示的控制方式，增加氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置感應(yīng)閥、減速閥和調(diào)速閥，得到“快關(guān)慢合”式單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制原理如圖2所示，當(dāng)兩位三通電磁換向閥通電時(shí)，氣源經(jīng)快排閥、Port1進(jìn)氣，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞向左運(yùn)動(dòng)，閥門全開。當(dāng)兩位三通電磁換向閥斷電或失氣時(shí)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧回彈，當(dāng)活塞向右運(yùn)行至某一位置時(shí)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的撥叉關(guān)閉位置感應(yīng)閥，位置感應(yīng)閥的氣路斷開，減速閥失電，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)Port1，Port2與快排閥、調(diào)速閥導(dǎo)通，排氣室內(nèi)氣壓由原來的與大氣導(dǎo)通，變?yōu)?個(gè)氣缸室內(nèi)氣體氣壓平衡，排氣室內(nèi)阻力增大，活塞減速，所以在閥門關(guān)閉的瞬間力矩減小，從而減少了蝶閥蝶板和閥座之間的相互作用力，避免了這種不可探測的危險(xiǎn)失效的發(fā)生。通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥改變導(dǎo)通氣流的速度，從而調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉瞬間阻力的大小，改進(jìn)后的閥門控制方案起到了提高閥門安全性的作用[14]。

圖2 快關(guān)慢合式單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制原理示意

3 應(yīng)用案例分析

通過對(duì)試驗(yàn)裝置的測試，得到閥門關(guān)閉過程中閥門的行程與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。圖3中顯示了閥關(guān)閉過程中閥門的行程隨時(shí)間的變化情況，并與普通執(zhí)行器進(jìn)行對(duì)比，得到閥門關(guān)閉時(shí)間可以完全滿足要求，而且在閥門關(guān)閉的瞬間閥門關(guān)閉速度變緩的結(jié)論，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 閥門行程與時(shí)間的關(guān)系曲線示意

4 結(jié)束語

基于目前氣動(dòng)緊急切斷閥現(xiàn)場應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)氣動(dòng)緊急切斷閥的控制原理，提出切斷閥“快關(guān)慢合”的概念，在原有氣動(dòng)緊急切斷閥控制原理的基礎(chǔ)上，提出切斷閥“快關(guān)慢合”的設(shè)計(jì)方法，該方法既能提高切斷閥的關(guān)閉速度[15]，又能提高閥門的使用壽命，更重要的是生產(chǎn)的安全性也得到了有力的保障，而且可以為用戶提供更加安全和經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)條件[16]。