雙向高液位緊急切斷閥設計技術研究

韓 凱，張起欣，張贊牢

(中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油工程系， 重慶 401331)

雙向高液位緊急切斷閥設計技術研究

韓 凱，張起欣，張贊牢

(中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油工程系， 重慶 401331)

由于受目前國內相關標準滯后和設備技術水平限制，國內運加油設備尚未配備帶緊急切斷功能的專用進出油閥門，大部分車輛未安裝高液位保護裝置(除飛機加油車以外)。針對這種現狀，設計一種具備油料進出控制、緊急切斷和高液位保護功能為一體的雙向緊急切斷高液位控制閥。該閥門的研制可以增加運加油裝備的安全性，滿足國家標準強制條款要求，填補該裝置的國內研究空白。

緊急切斷；高液位保護；閥體

Abstract: The current domestic standards lag and the technical level of equipment are limited, and domestic refueling equipment are not equipped with emergency cut off function and the temperature exceeded the emergency cut off function of the dedicated oil valve, and most vehicles were not equipped with a high level of protection devices (except aircraft refueling vehicles). Aiming at the present situation, we design one of the two-way emergency cut off the high level control valve with oil import control, emergency shut-off and high level protection functions. The development of the valve can greatly increase the safety of oil equipment, and meet the national standard requirements of mandatory provisions, and fill the blank of the device.

Keywords: emergency cut-off; high level protection; valve body

雙向高液位緊急切斷閥是一種安裝于運加油裝備油罐底部或尾部，作為油料進出油罐的主要通道的控制閥門。該閥是根據2012年我國頒布的《QCT 932-2012 道路運輸液體危險貨物罐式車輛緊急切斷閥》[1]行業標準而提出的一種新型運加油車底閥，其研制可以解決運加油裝備油料進出油罐分設2條獨立通道、采用高液位控制閥與底閥分別控制導致的工藝流程復雜的問題。隨著危化品運輸相關標準的制定，雙向高液位緊急切斷閥的應用會越來越廣，需求也將越來越大。

目前，國外為保障危化學品運輸安全，制定了相應的法律、法規，并根據法規相關規定要求，開發研制了配套產品，同時頒布了相關標準。《EN 13308危險品運輸槽罐車—槽罐車的輔助設備—非壓力平衡底閥》和《EN 1316危險品運輸槽罐車—槽罐車的輔助設備—壓力平衡底閥》[2]等標準對相應產品的設計、制作、檢驗、試驗等進行了規范。國外使用的底閥主要有壓力平衡式和非壓力平衡式2大類型，主要由閥體、驅動氣缸、閥芯、易熔保護裝置等組成，可利用氣動、液壓或機械方式控制其啟閉。典型產品有ALFONS HAAR公司的DN80、DN100系列底閥、OPW的各類底閥系列。目前國內還沒有具備油料進出控制、緊急切斷和高液位保護功能于一體的雙向緊急切斷高液位控制閥，只具備功能單一的底閥和高液位控制閥。現將雙向高液位緊急切斷閥相關設計分析如下。

1 雙向高液位緊急切斷閥的一般設計要求

雙向高液位緊急切斷閥工作條件十分惡劣，其工作介質大部分為易燃易爆、腐蝕性較強的危化品，其使用過程中還要適應干旱、潮濕、高低溫等惡劣環境。除此之外，雙向高液位緊急切斷閥還應具有良好的通用性，因此雙向高液位緊急切斷閥的設計、制造、檢驗與其他閥門有著較大的區別。根據閥門的相應工況，對設計主要提出以下要求。

1.1 作業功能

雙向緊急切斷高液位控制閥具備油料進出控制、高液位控制、緊急切斷和超溫自動關斷控制功能，可氣動或手動啟閉。

1.2 主要技術指標

適用介質：汽油、柴油、煤油等輕質油品。

公稱直徑：DN65、DN80、DN100、DN150。

公稱壓力：1.0 MPa。

閥前壓力0.5 MPa時對應最大流量：

50 m3/h、95 m3/h、150 m3/h、300 m3/h。

緊急切斷閥開啟氣源壓力：0.40～40.70 MPa。

高液位功能最小開啟壓力：≤0.08 MPa。

高液位功能閥門關閉時間：≤10 s。

緊急切斷功能閥門關閉時間：≤2 s。

超溫自動保護溫度：75±5 ℃。

1.3 自然環境適應性要求

適應環境溫度：-41～46 ℃。

抗鹽霧腐蝕能力：能抵抗沿海地區使用中的鹽霧腐蝕環境條件的有害影響。

抗淋雨能力：能耐受降雨強度6 mm/min、持續時間1 h的淋雨。

抗沙塵能力：設計上，應能降低我國戈壁沙漠地區沙塵吹襲環境條件的有害影響。

1.4 可靠性、維修性、標準化、安全性

可靠性：

25 000次無潤滑狀態下開啟和關閉動作后，仍應具有良好的操作性和閥座密封性，經閥座密封性試驗合格。

維修性：

1) 研制工作應遵循GJB368A—1998《裝備維修性通用大綱》的有關規定。

2) 基層級平均修復時間≤30 min。

標準化：

1) 研制工作應遵循GJB1856A—2008《軍事后勤裝備研制及選型的標準化要求和審查》的有關規定。

2) 選裝的機電設備，其型譜系列和性能符合相應國標及后勤裝備統型要求。

3) 產品零部件標準化系數≥0.6。

安全性：

底閥組件上任何一個可能與危險介質接觸的導電零部件與底閥本體之間的導靜電電阻不得大于106 Ω[3]。

1.5 主要指標確定依據

1.5.1 公稱直徑確定

公稱直徑的確定主要依據我國運加油裝備油罐進出油管道直徑、油料裝備通用技術條件和國家、軍隊相關油料安全罐裝要求，同時為今后大流量加油裝備研制預留發展空間。

硬質輸油管線直徑選取公稱直徑系列為10、20、25、32、40、50、65、80、100、150、200 mm，選取50、80、100、150 mm公稱直徑符合標準要求。

根據規定，汽車油罐車灌裝最大流速不超過4.5 m/s[4]，計算各直徑最大灌裝流量如表1所示。

表1 各直徑對應最大灌裝流量

目前，我國現有裝備最大灌裝流量不超過150 m3/h，按確定直徑系列，最大灌裝流量為286 m3/h，滿足要求。

因此，確定各種直徑系列滿足要求。

1.5.2 壓力等級確定

目前我國現有裝備配備最大揚程為飛機加油裝備揚程，為120 m。按照輸送航空煤油計算，壓力0.96 MPa，壓力等級確定1 MPa符合要求，同時也滿足油料裝備通用技術條件。

1.5.3 最大流量確定

工業和信息化部頒布的《QC/T—2012道路運輸液體危險貨物罐式車輛緊急切斷閥》和歐盟《EN 13316:2002危險品運輸槽罐車—槽罐車的輔助設備—壓力平衡底閥》標準中規定，直徑100 mm緊急切斷閥在閥前壓力為0.5 MPa時，最大流量不小于150 m3/h。其余口徑最大流量可以參照以上2個標準通過核算流速計算得出。

1.5.4 緊急切斷閥開啟氣源壓力

緊急切斷閥開啟氣源一般使用裝備車輛底盤氣源，裝備車輛底盤氣源額定壓力為0.7 MPa。底盤氣源低于0.6 MPa時，車輛不允許起步，因此確定緊急切斷閥開啟氣源壓力為0.4～0.7 MPa。

2 雙向高液位緊急切斷閥關鍵指標設計

在雙向高液位緊急切斷閥設計過程中，除了需要考慮雙向高液位緊急切斷閥的通用性、基本設計參數和設計規范等一般性要求外，還需要考慮一些其他指標，以便更好地對雙向高液位緊急切斷閥的技術水平進行評價。通常通過衡量閥門關鍵部位可承載強度是否合理來對雙向高液位緊急切斷閥的技術水平進行評價，其主要評價指標有以下幾項。

2.1 閥體的設計與計算

2.1.1 確定閥體的材質

根據閥門的安裝位置及工作介質的性質，閥體材質定為L104鑄造鋁合金。閥體的結構如圖1所示。

圖1 閥體結構

2.1.2 閥體的壁厚設計與計算

對于脆性材料做成的閥體，其壁厚按第一強度理論進行計算[5]：

(1)

式中：DN表示閥體中腔最大內徑(mm)， 設計定DN=95 mm；p表示設計壓力，取公稱壓力pN(MPa)，p=1.0 MPa；tB表示考慮附件腐蝕裕量后閥體壁厚(mm)；σL表示材料的許用拉應力(MPa)，σL=σb/nb；C表示腐蝕裕量(mm)。

2.2 閥體的設計與計算

2.2.1 確定閥體卸荷槽位置

設計卸荷槽的目的是當油罐車發生意外事故,安裝在罐與管道間的閥門受到來自油罐巨大慣性力或外力作用時,考慮在閥體的適當部位斷裂卸荷,以免拉裂油罐底部及閥門的密封部件,造成罐內油品外泄，使事故擴大化。根據結構設計，卸荷槽位于閥體上罐端連接法蘭與閥體彎管交界處最為合理。

2.2.2 閥體卸荷槽結構

閥體卸荷槽結構如圖2所示。

圖2 閥體卸荷槽結構

從圖2可以看出：Ⅰ-Ⅰ斷面為本零件的危險端面，因為設計取S=5 mm

2.2.3 Ⅰ-Ⅰ斷面破壞壓力P的計算

根據薄膜理論，圓柱形的三向應力為：環向應力σt=pD/2S、軸向應力σz=pD/4S和徑向應力σr=0。

根據第一強度理論(最大主應力理論)，當量應力為σ=σt，所以得：

σ=pD/2S

式中：D為中間面直徑(mm)，D=DN+S，即：p=2Sσ/(DN+S)。

2.3 中口法蘭強度計算

中口法蘭的結構及受力分析如圖3所示。法蘭設計采用6個M8的螺栓，螺栓材料用1Cr18Ni9Ti鋼[7]。

圖3 閥體中口法蘭的結構和受力

以下計算主要參照《閥門設計入門與精通》[6]所述內容，且按常溫設計。

2.3.1 螺栓強度計算

螺栓的總計算載荷FLZ取(FYJ+XFG)與(FDF+FG)兩者中較大值。

無介質壓力時，為了使墊片屈服以產生緊密連接，所必須的預緊力(N)為

FYJ=πDDPbDSqYJ

(2)

式中：FYJ為預緊力(N)；DDP為墊片平均直徑(mm)，設計取DDP=112 mm；bDS為墊片擠壓的有效寬度(mm)；qYJ為預緊比壓(MPa)，根據所選墊片材料而定；有介質壓力時，墊片上必須的密封力(N)為

FDF=2πDDPbDSmDPp

式中：mDP為墊片系數。

螺栓工作載荷(N)為

(3)

(4)

其中，X為螺栓的外載荷系數。

螺栓的拉應力(MPa)為：

σL1=FLZ/AL≤[σL]1

式中：AL為螺栓總截面積(mm2)； [σL]1為螺栓材料在常溫時的許用應力(MPa)。

2.3.2 法蘭的強度計算

1) 法蘭的軸向彎曲應力(MPa)為

(5)

式中：μ為應力校正系數；MZ為作用在法蘭上的總彎矩(N·mm),按式(6)計算：

(6)

式中：FNJ為作用在法蘭內徑面積上的介質靜壓力(N)；按式(7)計算：

(7)

式中：FDJ為墊片處介質靜止時受力(N)；FD為墊片載荷(N)；FFZ為關閉時，閥桿的總作用力(N)，本閥中FFZ=0。

2) 法蘭的徑向彎曲應力(MPa)為

(8)

3) 法蘭的環向彎曲應力(MPa)為

(9)

以上3個彎曲應力必須滿足：

σW1≤[σWJ]；σW2≤[σWP]；σW3≤[σWP]。

2.4 凸輪軸的強度校核

手動開啟閥門時，凸輪軸受彎矩和扭矩的共同作用。凸輪軸的結構及受力圖如圖4所示。從圖4可得：Ⅰ—Ⅰ斷面為危險斷面。

1) 危險斷面的扭轉剪切應力τn及彎曲應力σw計算：

(10)

式中：MF表示開閥時，作用于軸上的扭矩(N·mm)，按下式計算：

MF=FLfρ

式中：FL表示開閥時作用在凸輪上的力(N),即閥門開啟力；f表示凸輪與閥桿之間的摩擦因數；ρ表示凸輪受力點距軸心的回轉半徑(mm),設計取ρ=10 mm；ws表示抗彎矩截面系數。

圖4 凸輪軸的結構及受力

2) 強度校核

根據《機械設計手冊》[8]得：彎扭聯合作用時，合成正應力應滿足第三強度理論：

(11)

式中： [σ]表示材料的許用應力(MPa)。

3 試驗驗證

為驗證閥門緊急切斷、高液位關閥功能和結構設計的合理性，對主閥進行功能性試驗，測試主閥穩態工況下的性能、緊急切斷和高液位關閥功能。設計試驗流程如圖5所示。

1.過濾器; 2.真空壓力表; 3.離心泵; 4.壓力表; 5.閘閥; 6.過濾器; 7.流量計; 8.調節閥; 9.壓力表; 10.主閥; 11.壓力表; 12.閘閥; 13.調節閥; 14.軟管

圖5 試驗流程

進行該驗證試驗時，由于導閥還未生產，為模擬高液位關閥功能，在主閥上引出一支軟管，外接到高壓水源。打開軟管上的閥門，模擬流道切換導閥打開，與設備高液位關閥功能在原理上相同。試驗介質采用清水。

通過試驗，當閥前壓力達到0.09 MPa左右時，主閥能夠依靠流體壓力實現自動開閥，在穩態工況下工作穩定，并沒有出現震動、噪聲等情況，證明了主閥結構設計的合理性；打開軟管上的閥門后，能夠實現自動關閥，且關閥過程平穩，證明高液位自動關閥原理具有可行性；當環境溫度超過75 ℃時(由易熔塞控制)閥門自動關閉，且反應迅速，閥門關閉平穩，證明了閥門的自動關閥功能可以實現。

4 結束語

雙向緊急切斷高液位控制閥可取代傳統底閥和高液位控制閥2個閥門的作用，同時具備應急切斷、環境溫度超標自動關斷、油罐高液位保護功能。該控制閥已經研制成功，目前正推廣使用中。該閥的出現可提高我國運加油裝備油料運輸和裝卸油安全性，降低由于油料外泄、冒油等引發的火災、環境污染等事故，同時也提高了裝備的維修性、可靠性和經濟性。

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[8] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2000：4-74.

(責任編輯林 芳)

ResearchonDesignTechnologyofBidirectionalHighLevelEmergencyShut-offValve

HAN Kai， ZHANG Qixin， ZHANG Zanlao

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistics Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China )

2017-04-24

韓凱(1992—)，男，山東濱州人，碩士研究生，主要從事石油與天然氣裝備研究，E-mail：308597452@qq.com； 通訊作者 張起欣(1975—)，男，講師，主要從事油氣儲運裝備研究。

韓凱，張起欣，張贊牢.雙向高液位緊急切斷閥設計技術研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(9):73-78.

formatHAN Kai，ZHANG Qixin，ZHANG Zanlao.Research on Design Technology of Bidirectional High Level Emergency Shut-off Valve[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):73-78.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.012

TE976

A

1674-8425(2017)09-0073-06