液氯移動(dòng)罐車用緊急切斷閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

駱云松

（河北馳潤(rùn)石油化工機(jī)械設(shè)備科技有限公司，河北 石家莊051430）

1 概述

液氯移動(dòng)罐車為液氯陸路運(yùn)輸專用移動(dòng)式壓力容器，是指用以充裝液氯并可運(yùn)輸?shù)膲毫θ萜?，此類容器沒(méi)有固定的使用地點(diǎn)和操作人員，使用環(huán)境經(jīng)常變化，且液氯具有強(qiáng)烈的刺激作用、強(qiáng)腐蝕性,且性質(zhì)活潑，與其它易燃?xì)怏w在日光下混合時(shí)易發(fā)生燃燒和爆炸，從發(fā)生事故的可能性及造成的后果來(lái)看，危險(xiǎn)性較大。液氯罐車緊急切斷閥作為液氯移動(dòng)罐車的緊急切斷設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造單位較少、品質(zhì)較差、使用壽命較低，造成液氯移動(dòng)罐車的緊急切斷閥更換較為頻繁，且在運(yùn)輸過(guò)程中存在諸多安全隱患?；谝陨希O(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)新型液氯移動(dòng)罐車緊急切斷閥（以下簡(jiǎn)稱緊急切斷閥）的任務(wù)緊迫且意義十分重大。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該緊急切斷閥通過(guò)法蘭連接安裝于液氯移動(dòng)罐車頂部閥門(mén)箱內(nèi)，為液氯移動(dòng)罐車裝卸系統(tǒng)管路的控制閥門(mén)，要求閥門(mén)具備緊急切斷功能、節(jié)流截止功能、過(guò)流保護(hù)功能，且其緊急切斷部位應(yīng)采用液壓控制。移動(dòng)罐車為危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛，其整體高度尺寸受限于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限制，所以要求緊急切斷閥具有合理的外形尺寸。液氯移動(dòng)罐車設(shè)置有氣、液兩路管道，且都安裝有相同公稱尺寸的緊急切斷閥，由于其氣相管路在罐內(nèi)介質(zhì)液面之上，緊急切斷閥裝入罐車內(nèi)部的長(zhǎng)度將直接影響罐內(nèi)液氯的裝載體積，所以要求該緊急切斷閥的結(jié)構(gòu)要相對(duì)緊湊。

2.1 設(shè)定參數(shù)

壓力等級(jí)：PN25

公稱尺寸：DN50

最大流量：45m3/h±10%

切斷時(shí)間：＜5s

驅(qū)動(dòng)方式：液壓

2.2 兩位一體結(jié)構(gòu)

緊急切斷閥采用兩位一體結(jié)構(gòu)，閥體通道采用角式結(jié)構(gòu)，上部為節(jié)流截止控制結(jié)構(gòu)，下部為緊急切斷結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩位一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可大大提高閥門(mén)的整體空間利用率，能夠在保證不影響液氯移動(dòng)罐車高度的情況下運(yùn)行所要求的節(jié)流截止及緊急切斷功能?？紤]到閥門(mén)使用過(guò)程中液氯為油狀易在閥瓣密封面處殘留而降低密封性，因此上、下閥瓣采用錐形密封面(圖1)有利于介質(zhì)沖刷防止污物殘留，即，提高閥瓣的密封面使用壽命。

2.3 緊急切斷結(jié)構(gòu)

圖1 錐形密封面

為了減少緊急切斷閥裝入罐體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，采用了緊湊型的緊急切斷結(jié)構(gòu)。緊急切斷結(jié)構(gòu)的打開(kāi)/關(guān)閉操作采用外裝于緊急切斷閥閥體外部的帶有易溶塞的油缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行液壓式驅(qū)動(dòng)。緊急切斷結(jié)構(gòu)的復(fù)位彈簧采用圓柱螺旋彈簧推動(dòng)閥瓣快速切斷的結(jié)構(gòu)保證快速緊急切斷，事故狀態(tài)下緊急切斷時(shí)，可通過(guò)人工進(jìn)行操作油缸泄壓或遇火災(zāi)突發(fā)情況下油缸易溶塞融化進(jìn)行泄壓，油缸結(jié)構(gòu)活塞桿的推力失效，下閥桿和閥瓣在彈簧力下向下閥體密封面移動(dòng)，閥瓣迅速切斷。除此之外，當(dāng)進(jìn)行卸車操作時(shí)液氯由罐體內(nèi)部通過(guò)緊急切斷閥流出，若流速過(guò)快易造成事故的發(fā)生。采用安裝在下閥瓣背部的過(guò)流彈簧（圓錐螺旋彈簧）通過(guò)介質(zhì)流量自由控制閥瓣開(kāi)度。當(dāng)流速過(guò)快超過(guò)預(yù)定流速時(shí)介質(zhì)在下閥瓣所施加的流動(dòng)壓力大于過(guò)流彈簧所施加于閥瓣的力，使得下閥瓣向下閥體密封面處移動(dòng)，閥瓣開(kāi)度減小或關(guān)閉。

2.4 先導(dǎo)小閥瓣輔助開(kāi)啟功能

緊急切斷閥的緊急切斷結(jié)構(gòu)在下閥瓣處采用先導(dǎo)小閥瓣結(jié)構(gòu)，當(dāng)油缸活塞桿推動(dòng)外撥桿，外撥桿帶動(dòng)橫軸及內(nèi)撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)將下閥桿壓下，由于下閥瓣與小閥瓣與介質(zhì)接觸面積不同，使得小閥瓣所受介質(zhì)作用力小于下閥瓣進(jìn)而小閥瓣先于下閥瓣開(kāi)啟，小閥瓣開(kāi)啟后介質(zhì)由小閥瓣進(jìn)入閥體內(nèi)部，從而下閥瓣內(nèi)外壓均衡，后在復(fù)位癱瘓的推動(dòng)下,下閥瓣打開(kāi)，即,減小了下閥瓣開(kāi)啟所需的下壓作用力。

2.5 上閥桿集成波紋管結(jié)構(gòu)

緊急切斷閥上部節(jié)流截止控制結(jié)構(gòu)的上閥桿集成有波紋管結(jié)構(gòu)，并通過(guò)與閥桿、閥蓋處的填料配合組成了該部的雙保險(xiǎn)密封保護(hù)，大大提高了閥門(mén)的密封性能及使用壽命。

3 工作原理

當(dāng)閥門(mén)需要開(kāi)啟時(shí)，使用安裝于液氯罐車的液壓泵向緊急切斷閥油缸處加壓進(jìn)而使得活塞桿推動(dòng)外撥桿，外撥桿帶動(dòng)橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)撥桿的轉(zhuǎn)動(dòng)作用于下閥桿向下移動(dòng)，使得小閥瓣、下閥瓣依次打開(kāi)，后轉(zhuǎn)動(dòng)上部手輪使上閥瓣開(kāi)啟，閥門(mén)全部開(kāi)啟。當(dāng)閥門(mén)需要緊急切斷時(shí)通過(guò)液壓泵泄壓或遇火災(zāi)使得油缸處的易溶塞融化泄壓，油缸活塞桿作用力失效，在緊急切斷結(jié)構(gòu)的復(fù)位彈簧的作用下下閥桿向上移動(dòng)，從而使得下閥瓣緊急關(guān)閉，后轉(zhuǎn)動(dòng)上部手輪使上閥瓣關(guān)閉，閥門(mén)全部關(guān)閉。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

由于該緊急切斷閥上部結(jié)構(gòu)與常規(guī)截止閥的結(jié)構(gòu)較為相似，因此該部分的計(jì)算內(nèi)容不做相關(guān)贅述。這里僅介紹閥體壁厚、下閥瓣密封面總作用力及計(jì)算比壓。

4.1 閥體壁厚計(jì)算

根據(jù)GB/T 12224-2005《鋼制閥門(mén) 一般要求》主要進(jìn)行閥體通道處最小壁厚計(jì)算及閥體中腔處最小壁厚計(jì)算。

4.1.1 閥體通道處最小壁厚計(jì)算

式中tB——閥體通道實(shí)際壁厚；tB1——閥體中腔實(shí)際壁厚;t'B——閥體通道計(jì)算壁厚;t'B1——閥體中腔計(jì)算壁厚;PN——公稱壓力;d ——管口進(jìn)口端最小內(nèi)徑（可為DN90%）;d''——用于確定中腔壁厚的直徑（2/3d'）;d' ——中腔最大直徑;K——系數(shù);S0——應(yīng)力系數(shù)（取48.3）;c1——附加裕量。

4.2 下閥瓣密封面總作用力及計(jì)算比壓

該緊急切斷閥下閥瓣處采用錐面密封結(jié)構(gòu)，且下閥瓣在關(guān)閉狀態(tài)下會(huì)受到復(fù)位彈簧、過(guò)流彈簧及介質(zhì)的作用力，在實(shí)際設(shè)計(jì)及計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行全面分析考慮。

式中FMZ——密封面上總作用力;FMJ——密封面上介質(zhì)作用力;DMN——密封面內(nèi)徑;bM——密封面寬度;α ——密封面錐半角;PN ——設(shè)計(jì)壓力;FMF——密封面上密封力;DMN——密封面外徑;f ——密封面摩擦因數(shù);q ——密封面計(jì)算比壓;qMF——密封面必須比壓;[q]——密封面許用比壓;F——彈簧作用合力。

5 最大流量折算和試驗(yàn)方法

該緊急切斷閥的最大流量試驗(yàn)介質(zhì)為水，由于液氯與水的密度和黏度不同，所以經(jīng)試驗(yàn)得出的結(jié)果不能直接判定為實(shí)際工況下液氯的實(shí)際流量，需通過(guò)相關(guān)換算公式計(jì)算后才可得到真實(shí)結(jié)果。本折算方法通過(guò)水作為緊急切斷閥最大流量試驗(yàn)的試驗(yàn)介質(zhì)，并通過(guò)水與液化石油氣最大流量換算公式、液化石油氣與其他介質(zhì)最大流量換算公式推導(dǎo)得出水與液氯的最大流量折算公式。

5.1 試驗(yàn)介質(zhì)

水和粘度與水近似的礦物油。

5.2 液化石油氣流量與試驗(yàn)介質(zhì)流量的折算

5.3 其他介質(zhì)與液化石油氣額定流量的折算

5.4 將5.2 和5.3 公式整理解得其他介質(zhì)與水最大流量的折算公式

5.4 試驗(yàn)方法與裝置

試驗(yàn)前開(kāi)啟緊急切斷閥上閥瓣，將試驗(yàn)閥安裝于試驗(yàn)裝置。以泵向穩(wěn)壓罐內(nèi)充氣壓打開(kāi)閥5，將介質(zhì)引向試驗(yàn)閥。此時(shí)閥8關(guān)閉，使試驗(yàn)閥后形成一個(gè)封閉空間。緊急切斷閥的下閥瓣前后均壓，開(kāi)啟下閥瓣。然后逐漸開(kāi)啟閥8，流量隨之上升，至下閥瓣自行關(guān)閉，記下關(guān)閉前瞬間的最大流量。開(kāi)啟閥8 的速度應(yīng)緩慢且恒定。重復(fù)試驗(yàn)三次，流量均應(yīng)在Qmax的±10%范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

由于該緊急切斷閥安裝于液氯移動(dòng)罐車，因此對(duì)閥門(mén)的安裝空間和整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度提出了相關(guān)限制要求，在充分研究移動(dòng)罐車緊急切斷閥國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用新型緊湊式緊急切斷結(jié)構(gòu)，將復(fù)位彈簧與過(guò)流彈簧直接集成于閥體內(nèi)部，有效降低了閥門(mén)的高度及罐體裝入量。完成緊急切斷結(jié)構(gòu)處的過(guò)流保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了介質(zhì)流速過(guò)快下的應(yīng)急保護(hù)問(wèn)題。同時(shí)外裝油缸帶有高溫保護(hù)易溶塞，解決了突發(fā)火災(zāi)事故時(shí)的自動(dòng)泄壓關(guān)閉問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高溫狀況下的自動(dòng)緊急關(guān)閉功能。通過(guò)上閥桿集成波紋管設(shè)計(jì)及閥瓣錐形密封設(shè)計(jì)，有效提高了閥門(mén)的密封性能，延長(zhǎng)了閥門(mén)的使用壽命。通過(guò)研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液氯移動(dòng)罐車專用緊急切斷閥，掌握了移動(dòng)罐車緊急切斷閥的核心技術(shù)，滿足國(guó)內(nèi)?；愤\(yùn)輸?shù)陌踩枨蟆?/p>