氣體滅火中大規(guī)格選擇閥的開發(fā)與應(yīng)用

張志榜，邵大財(cái)

（南京消防器材股份有限公司，江蘇南京 211112）

0 前言

氣體滅火系統(tǒng)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的滅火設(shè)施之一，具有滅火效能高，不污染設(shè)備，電絕緣性好，滅火迅速等優(yōu)點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型建筑的不斷涌現(xiàn)，對(duì)消防產(chǎn)品也提出了更高的要求，為實(shí)現(xiàn)對(duì)大型區(qū)域的防護(hù)，滿足大劑量的藥劑輸送的工程需要，市場(chǎng)對(duì)于氣體滅火系統(tǒng)中大規(guī)格選擇閥苛求越發(fā)強(qiáng)烈。

選擇閥一般安裝在集流管上，進(jìn)口與集流管連接，出口與滅火劑輸送管道連接。主要用于組合分配系統(tǒng)中控制滅火劑流動(dòng)方向，保證滅火劑進(jìn)入發(fā)生火災(zāi)的保護(hù)區(qū)。

選擇閥平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)裝置自動(dòng)打開或手動(dòng)打開，在驅(qū)動(dòng)氣體或滅火劑自身壓力下，選擇閥開啟并釋放滅火劑至輸送管道，實(shí)施滅火。滅火劑釋放完畢后，選擇閥自動(dòng)復(fù)位關(guān)閉。

選擇閥采用直通式增壓型，連接方式為法蘭連接。其結(jié)構(gòu)較背壓型選擇閥簡(jiǎn)單，安裝方便，尤其具有滅火動(dòng)作后能夠自動(dòng)復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)分析

大規(guī)格選擇閥是一般指公稱通徑大于100 mm的閥主要由閥體、閥芯、閥蓋、活塞、連接桿、密封墊、彈簧和手動(dòng)執(zhí)行部件組成。現(xiàn)以DN150選擇閥為例做以下設(shè)計(jì)分析:

a）主要性能參數(shù)

公稱通徑:150 mm;

設(shè)計(jì)壓力:8.0 MPa;

試驗(yàn)壓力:12.0 MPa。

b）設(shè)計(jì)計(jì)算

1）設(shè)計(jì)依據(jù)

GB25972－2010《氣體滅火系統(tǒng)及部件》;

GB50370－2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

2）材料選用

選擇閥的最大工作壓力為8.0 MPa，強(qiáng)度試驗(yàn)壓力12.0 MPa，所以要求其閥體材料應(yīng)具有一定的強(qiáng)度及良好的鑄造性能、機(jī)械加工性能、耐腐蝕性能，同時(shí)還應(yīng)考慮選材的通用性，優(yōu)選 06Cr19Ni10。其機(jī)械性能:σb=450 MPa，σs=200 MPa。

3）閥體壁厚計(jì)算:

式中:K0—閥體外徑與內(nèi)徑之比:

DN—閥體中腔最大內(nèi)徑192 mm

P —設(shè)計(jì)壓力，取最大工作壓力PN8.0 MPa

［σ］—材料的許用應(yīng)力（MPa），取 σb/nb和σs/ns兩者中的較小值。

σb=450 MPa，nb=4.25;則:σb/nb=105.88;

σs=200 MPa，ns=2.2;則:σs/ns=90.91;

所以，取［σ］=90.91。

由式（2）知，K0=1.086;

由式（1）知，SN=8.27+C。

C——考慮鑄造偏差、工藝性和介質(zhì)腐蝕等因素，而附加的裕量，取C=2 mm，則:SN=10.27 mm，取SN=11 mm。

4）工作原理（圖1）

該選擇閥有氣動(dòng)與手動(dòng)兩種開啟方式。當(dāng)保護(hù)區(qū)發(fā)生火情時(shí)，感煙與感溫探測(cè)器發(fā)出火災(zāi)信號(hào)，報(bào)警滅火控制器即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)發(fā)出聯(lián)動(dòng)指令，關(guān)閉聯(lián)鎖設(shè)備，經(jīng)過一段延時(shí)時(shí)間，發(fā)出滅火指令，打開電磁瓶頭閥釋放驅(qū)動(dòng)氣體，驅(qū)動(dòng)氣體通過啟動(dòng)管路打開相應(yīng)的選擇閥和瓶頭閥，釋放滅火劑，實(shí)施滅火。

圖1 結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣體（一般為6 MPa）進(jìn)入A腔，推動(dòng)活塞右移，通過連接桿及閥芯克服彈簧力打開選擇閥。如電磁瓶頭閥出現(xiàn)故障，未能釋放驅(qū)動(dòng)氣體，可以采用手動(dòng)開啟選擇閥:手動(dòng)扳起手柄，打開手動(dòng)執(zhí)行部件，滅火劑由B處經(jīng)手動(dòng)執(zhí)行部件進(jìn)入A腔，推動(dòng)活塞右移并打開選擇閥，此時(shí)是通過滅火劑自身壓力開啟閥門。

5）選擇閥的密封（圖2）

圖2 關(guān)閉狀態(tài)受力情況

選擇閥的工作壓力范圍:3.6 MPa～8.0 MPa

選擇閥裝配完成時(shí)即在彈簧的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)滅火劑被釋放而到達(dá)該選擇閥時(shí)，如不需要開啟該選擇閥，則選擇閥在滅火劑自身的壓力P1和彈簧力的作用下能確保密封。

式中:λ—彈簧變形量，231－150=81 mm（關(guān)閉狀態(tài)，彈簧自由長(zhǎng)度231 mm）;

G—材料切變模量，71 000 MPa;

d— 鋼絲直徑，6 mm;

D—彈簧中徑，59 mm;

n—有效圈數(shù)，12。

P1min=0.36×（163/2）2×π =73.6 kN·m;

P1max=0.8×（163/2）2×π =63.6 kN·m。

則由式（3），密封Fmin=74 KN·m，密封Fmax=64 kN·m，隨著工作壓力的升高，F(xiàn)密封也相應(yīng)增大，密封效果越佳，所以選擇閥能可靠密封。

6）選擇閥的開啟（圖3）

圖3 開啟狀態(tài)受力情況

選擇閥的開啟有兩種形式，其開啟時(shí)受力情況不同，分析如下:

a）一般情況采用氣動(dòng)開啟，驅(qū)動(dòng)氣體壓力為6 MPa，此時(shí)只須克服彈簧力。

P2=0.6×（176/2）2×π =143 kN·m ＞ ＞P（彈簧力）1

b）當(dāng)電磁瓶頭閥或驅(qū)動(dòng)管路出現(xiàn)故障時(shí)，可采用手動(dòng)打開，即通過滅火劑自身壓力開啟選擇閥，此時(shí)的受力情況為:

P2min=0.36×（176/2）2×π =84 kN·m

P2max=0.8×（176/2）2×π =191 kN·m

選擇閥開啟前，P3為零。密封Fmin＜P2min，密封Fmax＜P2max，所以選擇閥在滅火劑自身的壓力下能夠開啟。

選擇閥開啟后，P3隨之產(chǎn)生，而P1將被平衡掉。

P3min=0.36×（80/2）2×π =18 kN·m

P3max=0.8 ×（80/2）2×π =39 kN·m

當(dāng)選擇閥開啟達(dá)最大時(shí)，彈簧被壓縮F=231－121=110 mm（最大開啟狀態(tài)，彈簧自由長(zhǎng)度231 mm）

可見，P2min－P3min=68 kN·m＞＞P（彈簧力）2

P2max－P3max=151 kN·m＞＞P（彈簧力）2

所以，選擇閥在滅火劑自身的壓力下也能保證最大開啟狀態(tài)。

7）選擇閥的復(fù)位

隨著滅火劑的釋放，滅火劑的壓力也隨之降低。

當(dāng)滅火劑的壓力P2－P3小于P（彈簧力）2時(shí)，選擇閥將自動(dòng)復(fù)位;當(dāng)滅火劑的壓力P2－P3小于P（彈簧力）1時(shí)，選擇閥將完全復(fù)位。

P2=F（滅火劑氣壓）×（176/2）2×π =23.8 kN·m×F（滅火劑氣壓）

P3=F（滅火劑氣壓）×（80/2）2×π=4.9 kN·m×F（滅火劑氣壓）

則，P2－P3=18.9 kN·m×F（滅火劑氣壓）

當(dāng)P2－P3＜P（彈簧力）2=503 N·m時(shí)，F(xiàn)（滅火劑氣壓）＜ 0.26 MPa

當(dāng)P2－P3＜P（彈簧力）1=370 N·m時(shí)，F(xiàn)（滅火劑氣壓）＜ 0.20 MPa

即，當(dāng)滅火劑的壓力小于0.26 MPa時(shí)，選擇閥將自動(dòng)復(fù)位;當(dāng)滅火劑的壓力小于0.20 MPa時(shí)，選擇閥將完全復(fù)位。可見此時(shí)的滅火劑也幾乎釋放完畢。

2 工程應(yīng)用

根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》可以估算應(yīng)用該閥門輸送藥劑保護(hù)某通信機(jī)房的最大凈容積:（假設(shè)輸送的滅火劑為HFC－227）

1）由D=（8∽16）可算得Q=114.8 kg/s（取D=12，已知D=150 mm）

2）W=Q.t=114.8 ×8=918.4 kg

可算得V=1 449 m3（K=1，S=0.1372，C1=8%）

可見，該閥門可用于凈容積為1 500 m3左右保護(hù)區(qū)藥劑的輸送。

D—管道通徑（mm）;

Q—平均設(shè)計(jì)流量（kg/s）;

W—滅火劑設(shè)計(jì)用量（kg）;

t—滅火劑設(shè)計(jì)噴放時(shí)間（s）;

V—保護(hù)區(qū)凈容積（m3）;

K—海拔高度修正系數(shù)（通常取1）;

S—滅火劑過熱蒸氣在101 kPa大氣壓和保護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的質(zhì)量體積（m3）;

C1—滅火設(shè)計(jì)濃度（%）。

3 結(jié)論

通過對(duì)DN150選擇閥設(shè)計(jì)分析，建議公稱通徑大于DN100的選擇閥均可參照以上模型設(shè)計(jì)開發(fā)，以滿足大劑量藥劑輸送工程需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型防護(hù)區(qū)域的保護(hù)。閥門采用直通增壓型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，安裝方便，具有自動(dòng)復(fù)位功能，實(shí)用性強(qiáng)。

［1］吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.2103-2108.

［2］陳宏鈞.實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］陸陪文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.1014-1021.

［4］張一公.常用工程材料選用手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.