緩閉閥門在斜井應(yīng)急排水防水錘中的應(yīng)用

葛 亮 ，井婷婷

（1.重慶大學(xué) 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039）

2000年至2012年期間，全國煤礦共發(fā)生透水事故1 113起、死亡4 451人，其中發(fā)生重大及以上透水事故92起、死亡1 706人，平均每年發(fā)生7起重大透水事故。2012年重大透水事故起數(shù)和死亡人數(shù)占全國煤礦重大事故的33.3%和25.3%[1]。雖然近幾年煤礦突水災(zāi)害發(fā)生頻率和致死人數(shù)總體呈下降和減弱趨勢，但其防治形勢依然不容樂觀[2]，以斜井為主的礦山水災(zāi)事故正處于易發(fā)期，隨著采深加大，透水事故呈現(xiàn)加重的趨勢，已成為僅次于瓦斯爆炸的第二大災(zāi)害[3-4]，而且會造成一系列的環(huán)境和生態(tài)問題等隱性災(zāi)害[5]。水災(zāi)事故發(fā)生后，礦井應(yīng)急工作的關(guān)鍵階段為搶險救災(zāi)和治水保礦[6]。斜井水災(zāi)事故的搶險通常采用礦用應(yīng)急排水水泵配接硬質(zhì)的無縫鋼管或SEP復(fù)合管的排水作業(yè)模式，相比新型的可扁平盤卷熱塑性聚氨酯（TPU）軟管，鋼管密度為7.85 g/cm3，SEP 管密度為 1.8～1.9 g/cm3，而 TPU 管密度不超過1.4 g/cm3，在同口徑、同用途時，TPU管質(zhì)量小，且彎曲性能強，便于災(zāi)后井下安裝。在實際應(yīng)用中，逆止閥作為水泵的配套件，快速阻止泵與管內(nèi)水體的直接接觸，可在水泵停機時保護其免受水錘破壞，廣泛用于豎井硬直金屬管路。但對于TPU管，則需要具有緩閉功能的截止閥以解決水錘瞬間高壓所產(chǎn)生的軟體管道破裂問題[7-8]?；诖?，提出了適用于功率500 kW以下、揚程400 m以下中小型礦用應(yīng)急排水水泵在斜井水災(zāi)處置時防止非金屬軟管水錘破壞的技術(shù)措施，并開展了新型閥門在不同安裝條件下整個緩閉過程中的模擬性能試驗和流量變化特性的對比分析。

1 排水作業(yè)模式

具有抗靜電和阻燃性能的TPU軟管通過各段自帶的快速連接裝置組合形成，其入口與水泵出口之間安裝具備緩閉功能的截止閥，并對此處壓力進行實時監(jiān)測，可在不破壞水泵的同時有效保護管網(wǎng)系統(tǒng)安全。整個管路的前段為跟隨水泵下放的可托動部分，長度較短，而可直接鋪設(shè)至井上的后段則通過防滑、防墜技術(shù)措施固定于井下圍巖或巷道內(nèi)設(shè)施上，避免通水承壓狀態(tài)下竄動。2段之間安裝有放水閥過渡短節(jié)、壓力表和閘閥。采用TPU管替代以往采用的硬質(zhì)金屬管路或復(fù)合管，在水倉倒水作業(yè)時實用性強，在斜井單泵排水、大流量接力泵吸水后并聯(lián)排水等工藝模式條件下技術(shù)優(yōu)勢也尤為突出，特別是無需硬質(zhì)管路井下輸送用下管車，管路的安裝更為靈活，在無軌斜井的應(yīng)急排水作業(yè)中可發(fā)揮重要作用[9]，因此，排水軟管的研究和應(yīng)用是礦山應(yīng)急排水領(lǐng)域當(dāng)前裝備配備的首選，也是未來相關(guān)研究的發(fā)展趨勢。

2 緩閉閥門的選型

為了使斜井排水軟管在實際應(yīng)用中能夠有效地防水錘破壞，需要采用可使管道內(nèi)水體短時變流量排放的技術(shù)措施，具體通過在水泵出口處配接以下2種泄壓時間可調(diào)的專用閥門實現(xiàn)。

2.1 多功能水泵控制閥

多功能水泵控制閥具有水力自動控制、啟泵時緩開，停泵時先快閉、后緩閉的特點，兼具止回、消除水錘等功能[10]，分為主閥和外控組件2部分。主閥由閥體、大小閥板、閥桿、閥蓋及活塞、活塞缸等構(gòu)成，外控組件則包括微止回閥、調(diào)節(jié)閥、過濾器及相應(yīng)管路。

閥門的啟閉是依靠所輸送介質(zhì)壓力及其在活塞缸內(nèi)的壓力差來進行的，動作時間受外控組件中調(diào)節(jié)閥控制。閥的啟閉由大小閥板完成，大閥板發(fā)揮快開、快關(guān)作用，小閥板實現(xiàn)緩開、緩閉功能。啟泵后介質(zhì)通過外控部件進入活塞缸下腔，活塞上移帶動小閥板上升，解除對大閥板的軸向約束，大閥板在進口介質(zhì)壓力作用下打開。當(dāng)進口壓力消失時，大閥板在閥出口端介質(zhì)壓力以及自重作用下迅速下降實現(xiàn)快關(guān)，截住大部分流體，同時活塞缸上腔壓力推動活塞下降，使小閥板緩閉。在外控回路中分別設(shè)置調(diào)節(jié)閥，可調(diào)節(jié)活塞缸內(nèi)活塞的上下運動速度，從而完成對閥板緩開和緩閉過程的調(diào)節(jié)[11]。

2.2 管力閥

管力閥是新型蝶式多功能水泵控制閥，主要由閥體、閥軸、大小閥板、控制缸、控制頂桿、旁通組件（可調(diào)式單向閥及相應(yīng)管路）和其他裝置（油杯、標(biāo)示桿）等組成。閥門采用流體設(shè)計，兼具電動閘閥、電動蝶閥以及止回閥的功能。

啟泵時介質(zhì)壓力推動偏心斜置的大閥板，產(chǎn)生開啟動力，由此大閥板推動小閥板帶動控制桿回入油缸，在油缸上腔控制閥的作用下，閥門緩慢開啟，實現(xiàn)開閥。停泵時閥門進口端的壓力低于某一預(yù)定值時，大閥板在重力的作用下快速關(guān)閉，截斷大部分水流。小閥板自動開啟，泄除出口端部分回流水，削減水錘峰值。控制油缸內(nèi)的彈簧推動活塞下行，在下腔控制閥的作用下，使小閥板緩慢關(guān)閉，實現(xiàn)關(guān)閥。

2.3 2類閥門的性能對比

多功能水泵控制閥與管力閥均通過介質(zhì)壓力驅(qū)動，實現(xiàn)了閥門啟閉與水泵的自動聯(lián)鎖，并采用雙閥板泄流和頂置結(jié)構(gòu)，安全可靠且便于維護與安裝。管力閥在多功能水泵控制閥、液力閥的基礎(chǔ)上，繼承了上述兩者的優(yōu)良性能，同時參照美國止回閥技術(shù)在結(jié)構(gòu)上進行了重大改進。2類緩閉閥門的性能對比見表1，相對于多功能水泵控制閥，管力閥作為新一代產(chǎn)品，其性能具有以下優(yōu)點：①采用偏心蝶閥技術(shù)原理，其體積和質(zhì)量只有同規(guī)格多功能水泵控制閥的1/3～1/2，與同規(guī)格液力閥相當(dāng)；②蝶式結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)小，有利于管網(wǎng)運行的節(jié)能降耗，且動作更加靈敏；③管力閥的閥板慣性矩減小，閥板動作更靈活，同時采用斜置閥座，閥門啟閉更平穩(wěn)[12]。

表1 管力閥與多功能水泵控制閥的性能對比

2.4 軟管與閥門的匹配方案

功率500 kW以下、揚程400 m以下中小型礦用應(yīng)急排水水泵出口通徑主要為DN200、DN150、DN100 3種規(guī)格，排水軟管對應(yīng)的強度要求分別為：①DN200軟管的工作壓力≥2.5 MPa、爆破壓力≥5.0 MPa；②DN150軟管的工作壓力≥4.2 MPa、爆破壓力≥8.4 MPa；③DN100軟管的工作壓力≥5.0 MPa、爆破壓力≥10.0 MPa。

目前多功能水泵控制閥規(guī)格系列更全，均有對應(yīng)型號與3類軟管匹配，而管力閥最小規(guī)格為DN150，如果將其通徑縮小至DN100，閥板及其控制頂桿等零部件就占據(jù)了很大的流道面積，流量性能方面將喪失優(yōu)勢。因此，在實際應(yīng)用中，通徑為DN200、DN150的排水軟管應(yīng)優(yōu)先選配對應(yīng)規(guī)格的管力閥，而通徑更小的管力閥受結(jié)構(gòu)和原理所限規(guī)格缺失，則DN100的排水軟管只能與同通徑的多功能水泵控制閥組合使用。以上分析所涉及的3種規(guī)格閥門，其公稱壓力指標(biāo)范圍均可分別覆蓋對應(yīng)的排水軟管的強度要求，此規(guī)格匹配方案技術(shù)可行。

3 管力閥在不同安裝條件下的性能試驗分析

選取湖南泵閥制造有限公司研制的DN150、DN200、DN300 3種規(guī)格管力閥作為被測試對象，安裝型式設(shè)定為垂直、傾斜30°、水平3種工況，其開度初始工況設(shè)定為完全打開（開度100%），并以10%為固定變量逐漸遞減至全開程度的10%，等間隔的開度變化模擬了閥門緩閉的整個過程。通過記錄流量計在不同工況下的對應(yīng)讀數(shù)，從而確定每種安裝型式下流量隨開度減小的變化趨勢，不同規(guī)格的管力閥隨開度減小的流量變化如圖1～圖3。

圖1 DN150管力閥隨開度減小的流量變化

圖2 DN200管力閥隨開度減小的流量變化

圖3 DN300管力閥隨開度減小的流量變化

DN200、DN300的管力閥在不同安裝條件下，流量隨開度的減小均呈現(xiàn)下降趨勢。同一開度時，閥門水平安裝型式流量最大，傾斜狀態(tài)次之，垂直安裝時數(shù)值最小，與理論預(yù)期分析正好相反，說明水平和傾斜安裝時控制頂桿將閥板向可使開度增大的方向偏移。最小通徑DN150的管力閥在同一安裝條件下，流量除開度20%的數(shù)值低于開度10%的數(shù)值外，其他不同安裝型式下，流量隨開度減小的變化趨勢也均呈現(xiàn)出同上特性。為更有效地說明閥門傾斜角度對流量的影響，以垂直安裝時的流量為基準(zhǔn)，計算分析與其他極端安裝條件下不同開度所對應(yīng)流量的偏差（極端安裝條件和豎直安裝條件所對應(yīng)的流量值之差）。以DN200管力閥為例，其垂直和水平（極端安裝條件）安裝型式所對應(yīng)的流量偏差見表2。

表2 DN200管力閥的流量偏差

DN200管力閥在開度10%狀態(tài)下，水平安裝所產(chǎn)生的流量偏差為0.000 5 m3/s，偏差率（偏差占基準(zhǔn)的百分率）為3.29%。隨著閥門開度的減小，流量偏差也逐漸降低，90%開度工況下的流量偏差為0.002 5 m3/s，是不同開度過程中的最大值，而偏差率在開度變化的過程中未出現(xiàn)特征明顯的規(guī)律，偏差率處于2.95%～4.22%范圍內(nèi)，最大值和最小值分別出現(xiàn)在90%和20%開度工況?；谝陨戏治隹芍惭b型式對閥門緩閉過程中的流量性能的影響較小，管力閥能夠適用于垂直以外的安裝條件。

4 結(jié)語

1）通過對管力閥與多功能水泵控制閥的性能對比分析，首次為功率500 kW以下、揚程400 m以下中小型礦用應(yīng)急排水水泵提供了適用于傾斜、水平安裝模式的軟管防水錘破壞的緩閉閥門差異化匹配方案，可切實解決斜井現(xiàn)場排水作業(yè)的關(guān)鍵問題。

2）目前管力閥最小規(guī)格為DN150，針對功率100 kW以下、揚程150 m以下的小型礦用應(yīng)急排水水泵還需要繼續(xù)開展管力閥的系列化研究，設(shè)計滿足性能要求的DN100型精密結(jié)構(gòu)。

3）在垂直、傾斜30°、水平3種安裝條件下的DN150管力閥流量性能試驗證明，小規(guī)格系列在流量隨開度減小而遞減的變化過程中，低開度工況的數(shù)值會突現(xiàn)局部上升趨勢，此技術(shù)問題還需要進一步研究解決。