管道燃?xì)庾蚤]閥使用前后性能變化研究

王 凡，柴家鳳，陳婷婷，徐 欣

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100011)

1 概述

管道燃?xì)庾蚤]閥是戶內(nèi)燃?xì)庀到y(tǒng)中使用較多的安全產(chǎn)品，它安裝在灶具上游，當(dāng)戶內(nèi)燃?xì)庀到y(tǒng)的壓力、流量出現(xiàn)異常時(shí)切斷燃?xì)猓收显虿槊?、故障排除后人工恢?fù)供氣[1]。自閉閥的過流自動(dòng)關(guān)閉能夠解決因戶內(nèi)膠管脫落、破裂導(dǎo)致燃?xì)饪焖傩孤┦鹿剩蛔蚤]閥的超壓自動(dòng)關(guān)閉能夠防止戶內(nèi)管道壓力突然升高而造成的設(shè)備損壞或泄漏事故；自閉閥的欠壓自動(dòng)關(guān)閉能夠防止因降壓停氣作業(yè)造成用戶戶內(nèi)支管放空問題[2]，減輕燃?xì)馄髽I(yè)入戶復(fù)氣的工作量。

對(duì)于戶內(nèi)安全產(chǎn)品來說，可靠度尤為重要。閥門可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)與方法的不斷發(fā)展[3]，為自閉閥的產(chǎn)品改進(jìn)提供了可行的分析方法。2008年自閉閥在陜西省開始大規(guī)模推廣應(yīng)用，該產(chǎn)品的安全功能逐漸獲得燃?xì)庑袠I(yè)的廣泛認(rèn)可與關(guān)注，相關(guān)單位也根據(jù)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題不斷改進(jìn)產(chǎn)品[4]。2014年北京市開始灶前自閉閥產(chǎn)品試點(diǎn)應(yīng)用，并進(jìn)入快速增長期，截至2019年12月，用戶已經(jīng)達(dá)到50×104戶。隨著用戶數(shù)量的不斷增加，自閉閥的管理與維護(hù)也逐漸成為戶內(nèi)燃?xì)膺\(yùn)營中的重要一環(huán)。一般自閉閥推薦使用年限為5 a，但是在實(shí)際工作中，燃?xì)馄髽I(yè)、用戶都很難做到及時(shí)更換。因此，自閉閥達(dá)到推薦使用年限后的安全性能，是指導(dǎo)燃?xì)馄髽I(yè)戶內(nèi)燃?xì)膺\(yùn)營優(yōu)化的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，需要我們不斷跟蹤、分析、研究，以便切實(shí)掌握戶內(nèi)燃?xì)庠O(shè)備現(xiàn)狀，保證居民用戶使用燃?xì)獾陌踩浴?/p>

2 自閉閥在北京市的試點(diǎn)應(yīng)用情況

為了全面掌握灶前自閉閥產(chǎn)品在安裝、使用、更換或拆除全生命周期內(nèi)的性能變化情況，北京市于2014年在開展燃?xì)獍踩a(chǎn)品試點(diǎn)應(yīng)用過程中，分別在北京市東南城區(qū)、中北部城區(qū)、西南部城區(qū)安裝自閉閥共100戶，運(yùn)行情況如下：

2014年至2015年，發(fā)生4起因用戶不熟悉產(chǎn)品，操作不當(dāng)造成的誤切斷。期間還發(fā)生了4起安全切斷，經(jīng)排查，分別為1起膠管開裂，3起為上游管道降壓施工引起。

2016年至2018年，產(chǎn)品運(yùn)行平穩(wěn)，在每年戶內(nèi)的巡檢中，沒有出現(xiàn)異常。

2019年發(fā)生了1起安全切斷，經(jīng)排查為上游管道降壓施工引起。

通過5 a的使用情況跟蹤，自閉閥產(chǎn)品的安全功能符合預(yù)期，尤其是過流自動(dòng)關(guān)閉與欠壓自動(dòng)關(guān)閉功能在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

3 性能測試

北京市自閉閥絕大多數(shù)安裝在燃?xì)庠钋?，因此，本文研究的?duì)象為灶前自閉閥(以下簡稱自閉閥)。截至2019年，試點(diǎn)應(yīng)用的自閉閥產(chǎn)品使用時(shí)間已經(jīng)達(dá)到了5 a，因此，對(duì)其中部分產(chǎn)品共22臺(tái)進(jìn)行更換，并對(duì)回收的自閉閥樣本進(jìn)行測試，了解安全功能變化，并分析其成因。

自閉閥主要安全功能參數(shù)如下：超壓自動(dòng)關(guān)閉壓力為(8±2)kPa，欠壓自動(dòng)關(guān)閉壓力為(0.8±0.2)kPa，過流自動(dòng)關(guān)閉流量為(1.2±0.12)m3/h。

3.1 測試依據(jù)

測試項(xiàng)目依據(jù)CJ/T 447—2014《管道燃?xì)庾蚤]閥》(以下簡稱CJ/T 447—2014)第6.1節(jié)至6.3節(jié)的要求，測試方法依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)中第7.1節(jié)至7.4節(jié)的要求。

3.2 測試項(xiàng)目

由于自閉閥在5 a的使用過程中，主要結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生重大變化，因此，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其他結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、包裝性能等測試項(xiàng)目不進(jìn)行測試。測試項(xiàng)目分為兩個(gè)方面：自閉閥的安全性能和安全功能。安全性能是指自閉閥內(nèi)、外氣密性，內(nèi)氣密性是保障自閉閥切斷嚴(yán)密，外氣密性能是保障自閉閥本身不發(fā)生泄漏。安全功能是指過流自動(dòng)關(guān)閉、超壓自動(dòng)關(guān)閉、欠壓自動(dòng)關(guān)閉3項(xiàng)功能。

3.3 測試流程

首先對(duì)每臺(tái)自閉閥進(jìn)行氣密性測試。如果泄漏量符合CJ/T 447—2014第6.2節(jié)規(guī)定時(shí)，進(jìn)行下一項(xiàng)測試；否則認(rèn)為故障，終止測試。

然后對(duì)氣密性測試符合標(biāo)準(zhǔn)的自閉閥分別進(jìn)行3項(xiàng)安全功能測試，逐項(xiàng)測試自閉閥的過流自動(dòng)關(guān)閉流量、超壓自動(dòng)關(guān)閉壓力、欠壓自動(dòng)關(guān)閉壓力，判斷測試數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 447—2014第6.3節(jié)規(guī)定。

3.4 測試系統(tǒng)

自閉閥測試系統(tǒng)采用北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院戶內(nèi)安全實(shí)驗(yàn)室的自閉閥測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)組成與標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 447—2014第7.4.1條規(guī)定的性能試驗(yàn)裝置一致，并為了提高系統(tǒng)測試效率與精度，把測試裝置細(xì)分為氣密性測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)、超欠壓測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)、過流測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，見圖1。

圖1 自閉閥測試系統(tǒng)

本文實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用壓縮空氣，通過空壓機(jī)供給，最大輸出壓力為0.8 MPa，并經(jīng)過冷干機(jī)過濾氣源中的水蒸氣，經(jīng)過一級(jí)調(diào)壓器調(diào)壓到0.1 MPa后分別輸入到3套測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由控制設(shè)備和檢測設(shè)備組成，控制設(shè)備包括二級(jí)調(diào)壓器、單向閥、電控閥、比例調(diào)節(jié)閥、PLC控制器；檢測設(shè)備包括壓力表、流量計(jì)、檢漏儀。單向閥由電控閥和止回閥組成，電控閥由PLC控制器控制開啟和關(guān)閉，止回閥為機(jī)械自力式止回閥，能夠防止壓縮空氣逆流造成實(shí)驗(yàn)臺(tái)間的互相干擾。

在各實(shí)驗(yàn)臺(tái)，壓縮空氣首先通過二級(jí)調(diào)壓器調(diào)節(jié)壓力至設(shè)定值，然后經(jīng)過單向閥、被測自閉閥，最后通過電控閥或比例調(diào)節(jié)閥出口放空。電控閥或比例調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量與被測自閉閥相匹配，快速達(dá)到CJ/T 447—2014中第7.4.2條規(guī)定的0.5倍額定流量。二級(jí)調(diào)壓器可以通過PLC控制器調(diào)節(jié)輸出壓力的設(shè)定值，在超壓自動(dòng)關(guān)閉測試中，二級(jí)調(diào)壓器的輸出壓力可以從2 kPa逐漸上升至12 kPa；在欠壓自動(dòng)關(guān)閉測試中，二級(jí)調(diào)壓器的輸出壓力可以從2 kPa逐漸下降至0；在過流自動(dòng)關(guān)閉測試中，二級(jí)調(diào)壓器的輸出壓力應(yīng)能夠穩(wěn)定在2 kPa。PLC控制器同時(shí)按照測試需要控制電控閥、比例調(diào)節(jié)閥等設(shè)備開啟和關(guān)閉。由于過流測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)流量調(diào)節(jié)精度要求較高，因此，采用比例調(diào)節(jié)閥，并安裝流量計(jì)測量并顯示流量。3套實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備主要性能參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備主要性能參數(shù)

在氣密性測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，泄漏量采用智能氣體密封性檢測儀(圖1中及以下簡稱檢漏儀)測量，該設(shè)備是采用ARM處理器為控制核心的通用型檢漏儀[5]，利用高精度差壓傳感器獲得由氣體泄漏產(chǎn)生的差壓，從而計(jì)算并顯示泄漏量。為了能夠分別檢測內(nèi)外氣密性，檢漏儀安裝在自閉閥上游，通過PLC控制器控制自閉閥前后單向閥和電控閥，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外氣密性測試的切換。

檢測外氣密性時(shí)，開始前單向閥、自閉閥、電控閥都處于關(guān)閉狀態(tài)。然后開啟單向閥、自閉閥，通入壓力為15 kPa的空氣。待檢漏儀初始?jí)毫_(dá)到15 kPa后關(guān)閉單向閥。然后啟動(dòng)檢漏儀進(jìn)行壓力監(jiān)測，測量1 min，檢漏儀自動(dòng)根據(jù)始末狀態(tài)差壓和外氣密性測試容積參數(shù)，計(jì)算并顯示泄漏量。

檢測內(nèi)氣密性需要在外氣密性測試合格的前提下進(jìn)行。開始前單向閥、自閉閥、電控閥都處于關(guān)閉狀態(tài)。然后單向閥開啟，通入壓力為0.6 kPa的空氣。待檢漏儀初始?jí)毫_(dá)到壓力平衡(即0.6 kPa)后，關(guān)閉單向閥。打開電控閥，使自閉閥下游出口與大氣連通。然后啟動(dòng)檢漏儀進(jìn)行壓力監(jiān)測，測量1 min，檢漏儀自動(dòng)根據(jù)始末狀態(tài)差壓和內(nèi)氣密性測試容積參數(shù)，計(jì)算并顯示泄漏量。內(nèi)氣密性還需要在壓力為15 kPa的工況下進(jìn)行測試，測試原理與壓力為0.6 kPa的工況相同。

外氣密性測試容積包括單向閥閥瓣下游容積、自閉閥容積、電控閥閥瓣上游容積、單向閥與自閉閥之間以及自閉閥與電控閥之間的空氣管道容積。內(nèi)氣密性測試容積包括單向閥閥瓣下游容積、自閉閥閥瓣上游容積以及單向閥和自閉閥之間空氣管道容積。

3.5 測試步驟

① 氣密性測試

外氣密性：安裝自閉閥，按啟動(dòng)測試按鈕，按照第3.4節(jié)的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄檢漏儀泄漏量讀數(shù)。共實(shí)驗(yàn)3次，取平均值記錄。

內(nèi)氣密性：對(duì)于外氣密性測試合格的自閉閥，按啟動(dòng)測試按鈕，按照第3.4節(jié)的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄檢漏儀泄漏量讀數(shù)。共實(shí)驗(yàn)3次，取平均值記錄。

② 超壓自動(dòng)關(guān)閉壓力測試

安裝好自閉閥，開始前各閥都處于開啟狀態(tài)。按啟動(dòng)測試按鈕，通入壓力為2 kPa的空氣，二級(jí)調(diào)壓器逐漸提高輸出壓力，直到自閉閥自動(dòng)關(guān)閉，讀取此時(shí)壓力表讀數(shù)。共實(shí)驗(yàn)3次，取平均值記錄。

③ 欠壓自動(dòng)關(guān)閉壓力測試

安裝好自閉閥，開始前各閥都處于開啟狀態(tài)。按啟動(dòng)測試按鈕，通入壓力為2 kPa的空氣，二級(jí)調(diào)壓器逐漸降低輸出壓力，直到自閉閥自動(dòng)關(guān)閉，讀取此時(shí)壓力表讀數(shù)。共實(shí)驗(yàn)3次，取平均值記錄。

④ 過流自動(dòng)關(guān)閉性能測試

安裝好自閉閥，開始前各閥都處于開啟狀態(tài)。按啟動(dòng)測試按鈕，通入壓力為2 kPa的空氣，比例調(diào)節(jié)閥逐漸提高出口流量，直到自閉閥自動(dòng)關(guān)閉，讀取此時(shí)流量計(jì)讀數(shù)。共實(shí)驗(yàn)3次，取平均值記錄。

4 數(shù)據(jù)處理

使用前后所有自閉閥的內(nèi)氣密性和外氣密性都符合標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 447—2014第6.2節(jié)的要求，全部合格。也就是說，自閉閥在使用5 a以后，沒有出現(xiàn)泄漏。因此，下面主要對(duì)性能有變化的安全功能進(jìn)行分析。

由于自閉閥超壓自動(dòng)關(guān)閉、欠壓自動(dòng)關(guān)閉、過流自動(dòng)關(guān)閉3項(xiàng)功能從所起到的安全作用上相互獨(dú)立，從安全功能的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上看也可以認(rèn)為相互獨(dú)立，因此，為了進(jìn)一步分析性能變化的原因，分別對(duì)于每項(xiàng)安全功能主要參數(shù)變化情況進(jìn)行分析，包括超壓自動(dòng)關(guān)閉壓力、欠壓自動(dòng)關(guān)閉壓力、過流自動(dòng)關(guān)閉流量。

樣本在安裝使用前，3項(xiàng)安全功能均經(jīng)過上述測試，且合格。樣本使用后3項(xiàng)安全功能測試結(jié)果見表2。

表2 樣本使用后3項(xiàng)安全功能測試結(jié)果

3項(xiàng)安全功能主要參數(shù)使用前后變化程度可以通過均值變化率和離散度來評(píng)價(jià)。均值變化率能夠反映性能出現(xiàn)系統(tǒng)偏差或零點(diǎn)漂移的程度，離散度能夠反映產(chǎn)品性能穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度，用于判斷產(chǎn)品是否失效。均值變化率按式(1)計(jì)算，離散度按式(2)計(jì)算。

(1)

式中δ——均值變化率

x1——使用后測試數(shù)據(jù)的均值

x0——使用前測試數(shù)據(jù)的均值

(2)

式中S——離散度

σ——測試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差

x——測試數(shù)據(jù)均值

安全功能測試數(shù)據(jù)的均值變化率和離散度見表3。

表3 安全功能測試數(shù)據(jù)的均值變化率和離散度

根據(jù)使用前后性能的變化情況來看，過流自動(dòng)關(guān)閉流量的均值變化率僅為-2.98%，并且使用后的離散度與使用前離散度沒有發(fā)生明顯變化。這說明使用前后自閉閥樣本過流自動(dòng)關(guān)閉功能基本沒有發(fā)生變化，自閉閥仍然能夠?qū)σ蚰z管脫落、破裂導(dǎo)致燃?xì)饪焖傩孤┢鸬椒雷o(hù)作用。

超壓自動(dòng)關(guān)閉壓力的均值變化率較小，僅為3.94%，但使用后離散度達(dá)到了26.6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用前離散度，因此，超壓自動(dòng)關(guān)閉功能的穩(wěn)定性有明顯下降。超壓自動(dòng)關(guān)閉功能主要對(duì)管道壓力突然升高而造成的設(shè)備損壞或泄漏事故起到防護(hù)作用，離散度增加會(huì)降低超壓自動(dòng)關(guān)閉壓力的精度，增加誤關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。

欠壓自動(dòng)關(guān)閉壓力的均值變化率出現(xiàn)了較大程度的負(fù)偏移，達(dá)到了-34.75%，即壓力下降到約500 Pa時(shí)，自閉閥才會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。使用前后的離散度也發(fā)生了較大變化，功能的穩(wěn)定性也明顯下降，誤關(guān)閉的概率增加。因此，如果戶內(nèi)燃?xì)夤艿缐毫υ?00～800 Pa范圍時(shí)，經(jīng)過5 a使用的自閉閥可能無法自動(dòng)關(guān)閉，造成燃?xì)庠罹咴?00 Pa以下較低壓力燃燒，引發(fā)灶具回火，應(yīng)當(dāng)引起重視。

5 原因分析

5.1 自閉閥結(jié)構(gòu)

常見自閉閥的主要結(jié)構(gòu)為膜片式結(jié)構(gòu)，見圖2。膜片式結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是膜片作為主要驅(qū)動(dòng)元件，燃?xì)鈴哪て虑煌ㄟ^，膜片上腔與大氣連通，在燃?xì)鈮毫Φ淖饔孟履て舷乱苿?dòng)，通過連桿控制閥瓣在軸向(水平方向)移動(dòng)完成閥門的啟閉。在圖2中，閥口在閥瓣右側(cè)，自閉閥處于關(guān)閉狀態(tài)。為了保證關(guān)閉的可靠性，增加了磁鐵與固定在殼體內(nèi)部的復(fù)位鋼片，通過磁吸力增加自閉閥關(guān)閉作用力。

圖2 自閉閥結(jié)構(gòu)

當(dāng)自閉閥處于如圖2所示的關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，膜片下腔通入正常壓力燃?xì)?，手?dòng)提起上提桿，連桿逐漸從當(dāng)前“V”形變成“一”形，閥瓣向左水平移動(dòng)，閥口開啟。松開上提桿后，膜片在燃?xì)鈮毫Φ淖饔孟驴朔亓εc磁鐵向下的磁力作用，保持閥口開啟的通氣狀態(tài)。

自閉閥通氣狀態(tài)下，當(dāng)膜片下腔燃?xì)鈮毫^高時(shí)，膜片在燃?xì)鈮毫Φ淖饔孟驴朔亓εc磁力作用，向上移動(dòng)并超過下提桿垂直行程后，磁鐵和上提桿分開，磁鐵在磁力與自身重力的作用下，驅(qū)動(dòng)下提桿下移，連桿成“V”形，閥瓣水平右移，關(guān)閉閥口，形成超壓自動(dòng)關(guān)閉。

當(dāng)膜片下腔燃?xì)鈮毫^低時(shí)，膜片在燃?xì)鈮毫ψ饔孟聼o法克服重力與磁力作用，向下移動(dòng)，連桿成“V”型，閥瓣水平右移，關(guān)閉閥口，形成欠壓自動(dòng)關(guān)閉。

膜片結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)元件具有良好的壓力放大功能，對(duì)壓力的變化分辨率高，超壓和欠壓關(guān)閉壓力的精度也較高，但對(duì)流量的變化分辨率低，過流自動(dòng)關(guān)閉流量的精度低。

為了提高過流自動(dòng)關(guān)閉流量的精度，增加過流切斷附件，主要包括限流片、彈簧、支架等結(jié)構(gòu)，利用低剛度彈簧對(duì)流體通過限流片時(shí)引起的作用力分辨率高的特性，提高過流自動(dòng)關(guān)閉流量的精度。當(dāng)流體流量增大時(shí)，流體會(huì)推動(dòng)限流片克服彈簧彈力向右側(cè)閥瓣移動(dòng)，限制通過閥口流體的流量，造成膜片下腔失壓后向下移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)連桿下移成“V”形，閥瓣水平右移，關(guān)閉閥口，形成過流自動(dòng)關(guān)閉。

5.2 影響因素分析

自閉閥樣本在氣密性測試中沒有出現(xiàn)內(nèi)、外氣密性不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的情況，因此，自閉閥的閥口密封材料因磨損或表面腐蝕對(duì)自閉閥的影響程度不大。

過流自動(dòng)關(guān)閉流量在測試中沒有出現(xiàn)明顯的性能變化，均值變化率及離散度與原有性能差異很小，因此，過流切斷附件耐久性良好，可靠性高。

超壓與欠壓自動(dòng)關(guān)閉性能變化較為明顯，尤其是欠壓自動(dòng)關(guān)閉，均值變化率出現(xiàn)了較大的負(fù)偏差，由于超壓自動(dòng)關(guān)閉與欠壓自動(dòng)關(guān)閉以膜片、磁鐵為驅(qū)動(dòng)元件，因此，初步判斷，其性能變化與膜片和磁鐵有關(guān)。

由于自閉閥內(nèi)、外氣密性均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，排除了膜片腐蝕穿孔的可能。因此，需要進(jìn)一步分析其他因素的影響，例如油污灰塵增多、膜片老化[6-7]、磁鐵性能衰減等。

5.2.1 油污灰塵

選取樣本中出現(xiàn)欠壓自動(dòng)關(guān)閉性能變化最大的13號(hào)樣本?？梢园l(fā)現(xiàn)該樣本的上表面完全被油污灰塵覆蓋。在實(shí)驗(yàn)測試過程中，其上提桿能夠正常開啟，但關(guān)閉時(shí)有明顯的卡滯現(xiàn)象。由于氣密性檢測時(shí)，上提桿能夠正常關(guān)閉，氣密性符合要求。

對(duì)樣本內(nèi)外零部件檢查沒有發(fā)現(xiàn)明顯銹蝕，上提桿、殼體、膜片等結(jié)構(gòu)拆解后，上提桿與殼體間沒有油污或異物，膜片表面也沒有異物，膜片表面光滑，沒有發(fā)生腐蝕，可以排除外來油污灰塵造成的阻力增大。

5.2.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

膜片測量主要結(jié)構(gòu)尺寸及狀態(tài)見圖3，圖3中的尺寸單位為mm。膜片在自閉閥不同狀態(tài)下，所處位置的高度各不相同。自閉閥關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，膜片位置最低，見圖3a。自閉閥正常開啟時(shí)，膜片向上移動(dòng)至圖3a水平虛線位置，并保持此位置。自閉閥內(nèi)壓力達(dá)到超壓自動(dòng)關(guān)閉壓力時(shí)，膜片達(dá)到最高位置，見圖3b。當(dāng)自閉閥上提桿行程超出正常范圍時(shí)，膜片達(dá)到故障高度，見圖3c。

圖3 膜片測量主要結(jié)構(gòu)尺寸及狀態(tài)

膜片在垂直方向上具有一定的結(jié)構(gòu)剛度，能夠支撐上提桿的重量，自閉閥欠壓關(guān)閉需要靠磁鐵的磁力對(duì)下提桿產(chǎn)生向下的作用力實(shí)現(xiàn)。

因此，上提桿下落發(fā)生卡滯原因可能有3個(gè)：磁鐵提供的磁力變小，例如磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，造成膜片向下的作用力減??；膜片結(jié)構(gòu)尺寸變化造成磁鐵與膜片中心鐵片距離變大；膜片回彈性降低，造成結(jié)構(gòu)剛度增大。

① 磁鐵

自閉閥磁鐵采用燒結(jié)釹鐵硼永磁材料，目前不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)大多是針對(duì)材料磁通量衰減的宏觀表征[8]，如果在高溫濕熱環(huán)境中還應(yīng)考慮腐蝕行為的影響[9]。根據(jù)自閉閥拆解觀察，磁鐵表面平整光滑，沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，因此，測試對(duì)比新舊磁鐵磁通量變化即可。通過特斯拉計(jì)的檢測，磁鐵磁通量沒有明顯的衰減。

② 膜片的塑性形變

橡膠性能指標(biāo)例如拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、壓縮永久變形、邵氏硬度等指標(biāo)[10-11]主要反映橡膠的塑性，針對(duì)成品膜片，可以先通過膜片形狀尺寸的測量，確定膜片是否產(chǎn)生了塑性形變，從而進(jìn)一步研究塑性變化對(duì)自閉閥性能的影響。對(duì)膜片形狀尺寸的變化通過主要結(jié)構(gòu)尺寸的測量，與新產(chǎn)品膜片的尺寸對(duì)比，主要分析突起的外直徑D1、內(nèi)直徑D2、突起高度h這3個(gè)關(guān)鍵尺寸，見圖3a。經(jīng)過對(duì)比測量，樣本13的測量結(jié)果見表4，可見新舊膜片的結(jié)構(gòu)尺寸沒有明顯差異。因此，膜片沒有產(chǎn)生塑性形變。

表4 新舊膜片主要結(jié)構(gòu)尺寸測量對(duì)比

③ 膜片彈性

橡膠彈性的衡量指標(biāo)是回彈性，但由于膜片形狀的特殊性，無法按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1681—2009《硫化橡膠回彈性的測定》第5.2節(jié)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試件厚度12.5 mm進(jìn)行檢測，因此，采用該標(biāo)準(zhǔn)附錄A.1表中推薦的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸I的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試，新、舊膜片回彈性分別為42%和31%，膜片回彈性出現(xiàn)明顯下降，降幅達(dá)到26.2%。

通過以上結(jié)構(gòu)分析與測試，排除了油污異物、膜片拉伸變形、驅(qū)動(dòng)磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度變化幾個(gè)方面的因素后，通過膜片回彈性對(duì)比測試發(fā)現(xiàn)，造成上提桿下落時(shí)卡滯的原因是膜片回彈性降低。

5.2.3 上提桿行程的影響

15號(hào)樣本出現(xiàn)了超壓自動(dòng)關(guān)閉后，上提桿不能自動(dòng)下落的現(xiàn)象。需要施加較大的壓力后，上提桿才能恢復(fù)原位置。

通過拆解分析，引起該現(xiàn)象是由于上提桿行程過長，超過了膜片最大形變，見圖3。自閉閥通氣狀態(tài)時(shí)突然管道內(nèi)壓力升高，膜片中央部分向上移動(dòng)達(dá)到超壓形變后，如圖3b所示，到達(dá)如圖3c的故障位置，膜片在外直徑與內(nèi)直徑之間的環(huán)狀位置出現(xiàn)局部折皺，形成故障變形，如圖4所示，使得膜片垂直方向結(jié)構(gòu)剛度增大，能夠支撐上提桿與膜片重量，上提桿無法回落復(fù)位。

圖4 膜片在故障變形下無法恢復(fù)最小形變的實(shí)物照片

6 結(jié)論

結(jié)合管道燃?xì)庾蚤]閥在北京市的應(yīng)用情況，以使用5 a后的自閉閥為樣本，根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制定測試實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)樣本的性能進(jìn)行測試，并分析原因。研究結(jié)果表明：

① 通過5 a的使用情況跟蹤，自閉閥產(chǎn)品的安全功能符合預(yù)期，尤其是過流自動(dòng)關(guān)閉與欠壓自動(dòng)關(guān)閉功能在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

② 自閉閥使用5 a后，產(chǎn)品的內(nèi)、外氣密性能夠符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 447—2014《管道燃?xì)庾蚤]閥》的要求。

③ 過流自動(dòng)關(guān)閉性能沒有明顯的變化，自閉閥能夠?qū)δz管脫落、破裂導(dǎo)致燃?xì)饪焖傩孤┦鹿势鸬椒雷o(hù)作用。

④ 超壓自動(dòng)關(guān)閉壓力的均值變化率不大，但離散度增加，超壓自動(dòng)關(guān)閉性能降低，增加誤關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。

⑤ 欠壓自動(dòng)關(guān)閉壓力的均值變化率出現(xiàn)較大負(fù)偏移，使用后離散度也較大，欠壓自動(dòng)關(guān)閉性能降低，增加了灶具產(chǎn)生回火的概率。

⑥ 廚房環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕、油煙、灰塵對(duì)自閉閥的性能影響不大，自閉閥主要零部件尺寸結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，磁鐵性能沒有明顯衰退。

⑦ 某樣本驅(qū)動(dòng)元件膜片回彈性下降是自閉閥欠壓自動(dòng)關(guān)閉性能下降的主要因素，建議對(duì)自閉閥膜片材料進(jìn)行改良，提高膜片回彈性。

⑧ 某樣本上提桿超過正常行程引起膜片故障變形，造成上提桿無法下落復(fù)位，建議提高上提桿行程精度或?qū)?fù)位結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。