基于消防末端試水閥的技術透析

羅利梅

(廣東明珠流體機械有限公司，廣東 興寧 514500)

傳統的試水閥結構上基本是一位式兩端接口螺紋直通球閥，形成一管多閥蜘蛛網式渠道，且大多數球閥的閥座與球體接觸密封面大太，存在啟閉力矩大。密封性能差及管道安裝應力的影響大大增加了啟閉力矩或者造成泄漏，從而縮短了球閥的使用壽命。

消防末端試水閥是一種新型，應用新技術、新結構和新理念，采用內螺紋T型三通結構，與壓力表、水力警鈴、測流儀、試水噴嘴配套組合成末端試水裝置，可以快速檢測整個消防系統運行狀況。

1 結構特點及工作原理

1.1 主要構件

消防末端試水閥的主要構件，如圖1所示。主要部件為：閥體 1，球體 2，閥座 3，端蓋 4，蓋接頭 5，閥桿6，密封環7，V形填料8，螺套9，定位板10，彈簧墊圈11，壓緊螺母12，倒密封墊13，鎖塊14，拉伸彈簧15，O形圈16，窺視鏡17，緊定螺釘 18，鉚釘19，手柄裝置20。

圖1 消防末端試水閥主要構件

1.2 消防末端試水閥的工作特點及工作原理

（1）消防末端試水閥通過手動或電動方式來控制末端試水裝置的開啟或關閉。其設計成五個接口：接口1是進水口，與消防管網連接；接口2是測流口，與水流指示器或測流儀連接；接口3是報警口，與水力警鈴連接；接口4是測試口，與檢測管/（件）或試水噴嘴連接；接口5是用于連接壓力開關和壓力表。

（2）閥門開關動作時，拉動鎖塊14，手動裝置20中的手柄順時針方向旋轉90°，球體2做開啟動作；手柄裝置20的軸線方向與球閥軸線方向垂直，球閥處于全開狀態，如圖2中（1）的位置，接口1至接口5全通、實現一位三通的理想狀態，可以快速檢測消防系統運行；當手動裝置20中的手柄再作順時針方向旋轉90°，球體2轉動；手柄裝置20軸線方向與球閥軸線方向同一反水平線時，球閥處于關閉狀態，如圖2中（2）位置，接口1至接口3關閉；當手動裝置20中的手柄再順時針方向旋轉90°，球體2轉動；手柄裝置軸線方向20與球閥軸線方向反垂直時，球閥處于半關閉狀態，如圖2中（3）位置，接口4關閉，可以測試消防管道的壓力和測流儀；當手動裝置20中的手柄再次按順時針方向旋轉90°，球體2轉動；手柄裝置20軸線方向與球閥軸線方向同一水平線時，球閥處于半關閉狀態，如圖3中（4）位置，關閉接口5，鎖塊14鎖緊手柄裝置20，這樣可以檢修或更換壓力表。

圖2 閥門開關動作時球體的位置圖

2 設計技術方案

消防末端試水閥為內螺紋T型三通浮動球直通球閥，在設計中，其主要零件部件材料為：閥體材質采用優質不銹鋼或黃銅，閥桿材質為2Cr13、304、316，球體材質A105、304、F316。閥門的設計泄漏量符合GB/T13927的規定。

倒密封墊、V型填料、密封環和閥座是采用高密度分子結構的優質PTFE粉末與玻纖的合成，其具有自密封性能，因為閥座嵌在端蓋、閥體內，當流體從通道一端流向垂直的一端時，流體壓力在球體上所產生的反沖力將球體壓向閥座，使通道另一端保持密封。在介質壓力較小時呈線性密封，所需密封力很小，此時靠裝配時的預緊力即可保證雙向密封。隨著介質壓力的升高，密封力增大，密封性能因而得到保證。同時，閥座發生彈性變形，使座環與球體的接觸面也隨之增大，它們之間的比壓降低，減小了開閉時的磨損，延長閥門的使用壽命。

為確保球體與閥座形成良性密封，閥座與球體形成完整的雙斜面密封副，雙斜面密封副為雙α角設計，α角為15～45°。如圖3所示。

圖3 閥座與球體形成雙斜面密封副

3 計算與驗證

為了保證閥門的密封性能、操作性能以及延長使用壽命，需對閥體壁厚、閥芯和閥桿等進行計算和驗證。

3.1 閥體壁厚

計算厚度 ：S'B={1.32P·D/2[σL]-1.2P}+C

式中，

P為設計給定的壓力，MPa；

D為閥體內腔的最大直徑（設計給定），mm；

σL為許用拉應力（查表）,MPa；

C為腐蝕余量（按推薦值選?。?，mm。

閥體實際壁厚SB可以通過查表法（ASME B 16.34或GB/T1224）與計算壁厚S'B相對比,滿足SB＞S'B產品符合設計要求。

3.2 球閥直徑

球體最小直徑:Dos=Ds2+DN2

式中，

Ds為密封面外徑(計算可得)，mm；

DN為密封面外徑(計算可得)，mm。

球體通道計算長度L：L'=D02-DN2（其中，Do為球體實際直徑（設計選定），mm；L為球體通道實際長度（設計選定），mm。

滿足：Do＞Dos，L＜L'的要求

3.3 密封面的總作用力及計算比壓

密封面總作用力：QMZ=QMJ

流體靜壓力在閥座密封的力：QMJ=0.785(DMNbm)2·P

式中，

DMN為密封面內徑（設計給定），mm；

bm為密封面介質流向投影寬（設計給定），mm；

P為設計給定的壓力，MPa。

密封面正應力N：N=QMJ/cosψ（其中，ψ為密封面法向與流道中心夾角密封面必須比壓)。

密封力(必須)：QMF=π(DMN+bm)t·qMF

式中：

t為密封面寬度，mm；

QMF為密封面必須比壓密封面必須比壓，mm。

密封面計算比壓:q=N/π(DMN+bM)t

根據密封比壓原理可知，如果要實現密封必須滿足：QMF＜QMZ，qb燮q＜[q]的要求，通過合理的設計與計算，參數滿足要求。

3.4 閥桿總轉矩及強度驗算

（1）總轉矩M：M=Mm+Mt+Mu

式中，

Mm為球體與閥座密封圈間的摩擦轉矩（計算可得），N.mm；

Mt為閥桿與填料間的摩擦總轉矩計算可得），N.mm；

Mu為軸承的摩擦轉矩計算可得），N.mm。

（2）閥桿斷面扭轉應力 τN：τN=M/W，MPa

式中，

M為總轉矩，N.m；

W為斷面處的抗扭斷面系數，mm3。

（3）許用扭應力[τN]，MPa

如果要實現閥桿的強度滿足設計要求，必須符合τN＜[τN]的要求，通過合理的設計與計算，參數滿足要求。

4 結束語

通過設計計算驗算和實際運用，消防末端試水閥廣泛應用于大型工業場所、石油石化行業、冶金行業、風電行業和建筑行業中，安裝在消防系統、消防供水設備管網或分區管網的末端，用于檢驗自動噴水滅火系統運行狀況。

[1]洪勉成，陸培文，高鳳琴.閥門設計計算手冊[M].北京:中國標準出版社,1994.

[2]陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京:機械工業出版社，2002.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社，2000.

[4]章華友.球閥設計與選用[M].北京:科學技術出版社，1994.