燃氣調壓器中滾動膜片的應用與設計簡述

曾 旭

（廣漢市城市燃氣有限公司，四川 廣漢 618300）

燃氣調壓器中滾動膜片的應用與設計簡述

曾 旭

（廣漢市城市燃氣有限公司，四川 廣漢 618300）

滾動膜片是由橡膠材料制成，具有固定密封的功能，在燃氣調壓器中十分常見，為了盡量提升滾動膜片的密封性能，必須要對滾動膜片的設計制造相關的問題有充分的認識。本文結合D50直接作用式燃氣調壓器就滾動膜片的設計應用問題進行簡單的分析總結。

燃氣器；滾動膜片；設計應用

滾動膜片是一種比較常見的橡膠膜片，中低壓調壓器使用過程中經常會出現閥瓣不平衡的問題，為了解決這一問題改善調壓器的性能，往往會安裝滾動膜片，提升調壓器進口及出口壓差，本文簡要的介紹滾動膜片的外形、特點、安裝方法，重點介紹燃氣器中滾動膜片的應用及設計過程，為有關人員的設計應用工作提供參考。

1 滾動膜片概述

滾動膜片主要是由橡膠材料制成的，自由狀態下是一個禮帽的形狀。橡膠膜片頂部中間有一個孔主要用于安裝閥桿。實際的使用過程中，為了更好的固定及密封，滾動膜片的頂部及底部可以帶一個O型的環邊。

與波紋膜片、碟形膜片相比，滾動膜片的運動形成比較長，是它們的3～7倍，在直徑、材質、厚度相同的情況下，滾動膜片的承壓能力最好。滾動膜片運動行程之內，膜片的受壓面積始終不變，閥瓣及閥桿獲得的推拉力是穩定的；膜片在托盤外表面積套筒內壁的運動形式為滾動，因此摩擦阻力非常的小；滾動膜片使用過程中對介質的要求比較低，介質中存在雜質、微粒或者煤氣焦油都不會影響到滾動膜片的功能；與活塞裝置相比，滾動膜片對托盤外表面、套筒內壁的表面粗糙度、加工精度等要求較低；使用過程中如果閥桿或者托盤出現偏心或微小的偏移，膜片會自動找中對正；與活塞裝置相比，滾動膜片能夠承受的壓差比較小，只允許單向受力。

滾動膜片安裝過程中需要一些配套的裝置，比如托盤，安裝后在氣體壓力作用下套筒內壁與托盤之間變成一個圓弧，托盤運動時，該圓弧沿著托盤的外壁及套筒的內壁做無滑動的滾動。一般來說，滾動膜片主要有正向安裝和反向安裝兩種安裝方式。壓力相對較高時大多采用正向安裝的方法，安裝過程中，滾動膜片的大開口部位向內翻折。壓力相對較低時可以采用反向安裝的方法，安裝時滾動膜片的頂部圓弧角向內翻折。滾動膜片安裝時要注意最大行程問題，它表示了托盤位移的最大距離，與調壓器的閥桿及閥桿的運動行程是對應的。設計過程中必須要保證調壓器的閥桿及閥桿的運動行程略小于滾動膜片的最大行程。

2 滾動膜片設計計算方法

（1）滾動膜片受力及有效面積。滾動膜片的受力面積主要由兩部分組成，直徑為d’的被膜片包裹的托盤的圓面積及D’和d’之間的環形的面積，托盤圓面積部分的受力為F1，環形部分的受力為F2，閥桿的推拉力為F，三者之間的關系為F=F1+F2，膜片厚度δ，托盤直徑為d，套筒直徑為D，D’=D-2δ，d’=d+-2δ。則P指的是作用在膜片受壓面氣體的壓力，滾動膜片兩面均有壓力時，P表示的是兩面的壓差。環形部分受到氣體的壓力時會將這部分壓力傳遞到托盤的邊緣部分，推拉力F2最終傳遞到閥桿之上，環形部分受到的氣體壓力屬于均布載荷，即為p，為了簡化計算過程，使用集中力P代滾動膜片的受力面面積應該是有效面積的總和，記為當量面積A，

（2）滾動膜片設計。滾動膜片設計時需要綜合考慮d'與D'尺寸，托盤高度Ht，膜片高度H及膜片厚度幾個參數。X代表的是滾動寬度，滾動寬度較大時，膜片產生的推拉力較小，承壓能力也會降低。但滾動寬度也不能太小，因為滾動膜片實際設計制造過程中，沿著托盤外表面及套筒內壁部分膜片上會有許多的褶皺，褶皺占用的空間大小會隨著膜片厚度的增加而增加，如果滾動寬度較小，兩層膜片的褶皺會相互摩擦影響膜片的正常滾動，因此需要合理的設計滾動寬度。一般來說，d’、D’、X設計時應該滿足以下條件：（1）d’/ D’=0.8～0.9，（2）X=（8～12）δ。其中第一個條件主要用于計算，第二個條件則用于設計校核。托盤的及膜片高度可以用以下方法進行設計：Ht=L/2+R+c，H=L/2+3X+Rm+c，其中，L指的是閥瓣的行程，R指的是托盤的圓角半徑，Rm指的是膜片的內圓角半徑，c指的是富裕量。滾動膜片正向安裝時，膜片底部直線段應該與托盤底部直線段（dm）相等，托盤的外輪廓要與膜片的內圓角相包容，因此R=Rm。滾動膜片反向安裝時，膜片底部直線段同樣要與托盤底部直線段（dm）相等，托盤圓角半徑與膜片厚度之和要略小于膜片內弧圓角半徑，即R+δ≤Rm。考慮到調壓器的相關零件可能會存在較小的加工誤差，導致滾動膜片設計位置與實際情況存在偏差，加上橡膠件硫化后會出現收縮的情況，因此，結合滾動膜片的大小，富裕量一般為2～8mm之間。膜片的內部夾有絲布，它是整個膜片的骨架，同時也能夠增加膜片的強度。考慮到膜片的氣密性問題，滾動膜片一般為橡膠材料制成，但橡膠的厚度會影響到膜片滾動的靈活度及氣密性，因此實際的設計過程中要結合調壓器的前壓合理的設計橡膠膜片的厚度。比如，調壓器前壓小于0.8MPa時，根據膜片的形狀大小，橡膠膜片的厚度可以設計在0.5～1.0mm之間。

3 實例分析

燃氣調壓器中滾動膜片設計主要分兩步，第一步計算理論尺寸，第二步實踐校驗、調整。下文以一個D50直接作用式燃氣調壓器為例，分析滾動膜片設計的過程。該直接作用式燃氣調壓器閥座及閥瓣處于作答開度狀態，滾動膜片采用反向安裝的方式安裝在對應的最低位置，閥桿的直徑為16mm，閥座的直徑為45mm，閥瓣的最大開度即行程為12mm。

（1）尺寸設計。首先需要根據上文所述的計算方法計算出滾動膜片的有效面積A’、確定套筒直徑D、托盤直徑d、D’、d’、滾動寬度X、托盤高度、富裕量、膜片內圓角半徑、托盤圓角半徑、托盤底部直線段大小、滾動膜片高度等相關參數。計算過程中膜片厚度取為0.5mm，設定d’=0.85D’，最終得出滾動膜片有效面積為1388.665mm2，D’為45.3mm，d’為38mm，套筒內孔徑D為46mm，托盤直徑d為37mm，滾動寬度X為4.5mm，X校核之后確實在（8～12）δ之間，托盤的高度為14mm，托盤圓角半徑取為2mm，富裕量取2mm，滾動膜片的內圓角為2.5mm，托盤底部直線段長度dm為33mm，滾動膜片高度H為24mm。

（2）校驗與調整。滾動膜片設計、制造的時候難免會出現一些誤差，因此設計完成之后需要進行實踐校驗及調整，校驗的主要內容包括滾動膜片的耐壓性、氣密性及滾動膜片是否能夠精確的抵消閥瓣不平衡力作用。校驗的主要步驟如下所示：首先，將燃氣調壓器安裝在檢測系統管道上，前壓設定為調壓器允許的壓力下限，打開燃氣調壓器出口管道上的一個小閥門，并將出口壓力調整為燃氣調壓器允許輸出的某一個參數；其次，在保證出口壓力不動、調壓彈簧不能重新調節的條件下，逐漸提升燃氣調壓器前壓，直到達到允許的壓力上限為止，觀察出口壓力的變化情況下，在此過程中，出口壓力隨著前壓的變化上升而變化，則說明滾動膜片的有效面積設計不合理，如果出口壓力隨著前壓的上升而升高，說明滾動膜片的有效面積偏大，反之有效面積偏小，只有前壓變化、出口壓力不變時，才表明滾動膜片的有效面積合理。有效面積設計不合理則需要進行適當的調整。一般情況下，有效面積誤差比較小，如果通過修改模具來改變有效面積比較麻煩，因此，通常情況下都是通過調整托盤直徑及套筒內徑的方法調整有效面積大小。經過多次校驗后，燃氣調壓器的出口壓力不再隨著進口壓力的變化而改變，校驗工作完成。

（3）滾動膜片設計制造時應注意的問題。除了上述步驟之外，燃氣調壓器滾動膜片設計制造時還需要注意以下問題：為了防止滾動膜片翻折時斷裂或者硫化時出現虧膠的問題，膜片拐角應為圓弧狀，為了防止套筒內壁與端面交接處割裂滾動膜片，這兩個部位同樣應倒圓角；如果燃氣介質為煤氣，滾動膜片的材料可以選擇氯醇橡膠，如果是LPG或者天然氣，可以選擇丁腈橡膠；滾動膜片內有彈性滌綸布夾層，觀察膜片的內外表面，可以發現一面為光滑曲面另一面有網狀夾布紋路，其中氣體受壓面為光滑面。為了盡可能提高滾動膜片的耐壓強度，防止燃氣泄漏，滾動膜片正向安裝時，光滑面在內表面，反向安裝時，光滑面在外表面。

4 結語

滾動膜片是燃氣調壓器中重要的組成部分，本文主要就滾動膜片的外形、特點、尺寸設計計算方法進行了簡單的介紹，結合實際案例分析了燃氣調壓器中滾動膜片的設計校驗制作方法。

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TU996.7

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1671-0711（2017）04（下）-0180-02