一種防止閥門自關閉鎖定裝置的研究設計

顧祥武， 湯馳， 欒俊， 鄒林峰， 郭文峰

（白鶴灘電廠籌建處 運行部，四川 涼山615400）

0 引言

閥門是在流體系統中，用來控制流體的方向、壓力、流量的裝置，是使配管和設備內的介質（液體、氣體、粉末）流動或停止并能控制其流量的裝置[1]。運行中的閥門是不允許有松動現象的。但在設備實際運行過程中，一些供水、供油管路上的小型控制閥由于自身結構特點，安裝在一些大流量、高壓力、振動劇烈的管道上時，多次出現閥門自關閉或自開啟的現象，給設備的運行帶來了較大的安全隱患。根據調研，很多安裝在管路上用于流量及壓力控制的閥門處在全開至全關之間的某一位置，此類閥門出現自關閉或自開啟的頻率非常高。而調研的這些大型水力發電廠設備上供油、供水管道上出現過自關閉或自開啟現象的閥門，目前并沒有較好的解決辦法。

本文提出一種防止閥門自關閉鎖定裝置的設計思路，詳細闡述了鎖定裝置的制動原理、組成結構、操作方法，為這些大型水電站解決閥門在運行中的自關閉現象提供了一種參考。同時也通過自主創新，研制出一種防止閥門自關閉的鎖定裝置，對閥門可靠性方面的提升有一定促進作用。

1 案例分析

某大型電廠在設備實際運行過程中，曾出現過多臺機組純水系統離子交換器回路流量過低報警情況，經檢查均為純水系統運行過程中由于振動造成離子交換回路流量控制針型閥自行關閉，從而導致管路流量降低、離子交換較少、定子線棒導電率升高的不安全事件。而該電廠目前所采取的臨時措施（采用鐵絲或者扎帶對閥盤進行綁扎）效果均不理想。調研中還發現，該電廠調速器液壓系統集油槽冷卻器進油蝶閥也出現過幾次自關閉現象，最終導致集油槽油溫快速升高的不安全事件。某大型水電廠純水流量控制針型閥如圖1所示。

通過對此類發生過自關閉閥門的結構及工作原理分析知，造成閥門自關閉的原因是這些閥門在實際運行中的開度一般都在中間開度，當流體在通過塞體時產生的渦流對塞體的作用力大于操作機構的制動力時，導致閥門自關閉或自開啟。此類閥門一旦安裝在一些容易振動的管路上時，管路的長期振動必然會造成閥門的閥體出現松動，從而導致閥門本身的制動力進一步減小，大大增加了閥門自關閉的風險。由于閥門自關閉現象都是出現在已投運的設備上，如果對此類閥門進行換型改造，一是設備運行方式不允許，二是實施成本及工作量較大。

圖1 某大型水電廠純水流量控制針型閥

目前，通過對某公司管轄的幾個大型水力發電廠設備管道上的一些小管徑閥門統計分析發現，這些小管徑閥門大多沒有設置閥門限制裝置。使用沒有限制裝置的閥門，一旦安裝在一些大流量、高壓力、振動劇烈的管道上時，大都會出現閥門自關或自開現象。為應對此問題，需要在閥門操作機構上安裝限制裝置，本文擬研究設計出一套防止閥門自關的鎖定裝置，用于解決設備運行過程中閥門自關閉問題。

2 研究方向

鎖定裝置研究設計目的是解決設備實際運行中閥門自關閉問題，是以問題為導向而進行的研究設計工作，故前期做了大量的調研、資料收集、原理分析設計等工作。

以圖1中的純水流量控制針型閥作為研究對象，對該閥門的型號、結構、尺寸等進行研究設計，擬研究設計出一套防止閥門自關閉的鎖定裝置，裝置能實現以下功能：1）閥門正常時在關方向制動，開方向有一定制動力，解開裝置后，閥門可以自由開關。2）對當前沒有設置防自關閉功能的閥門，只需拆除原閥門的閥盤，將本裝置安裝上即可解決其自關閉問題，不會對整個閥門的本體結構產生不利影響。3）通用性高，易于推廣。裝置的研究設計可依托現有閥門結構進行設計、制造及組裝，研制成果同樣適用于閥門防自開功能，且可推廣至存在自關閉或自開啟的各種閥門。4）結構簡單、制造成本低。鎖定裝置應易于操作，且裝置總成本費用應遠小于采購一個新閥門的成本價格。

3 鎖定裝置設計

3.1 原理分析及計算

管道上閥門出現自關閉現象主要是通過閥門的介質所形成的渦流作用在閥芯上的轉矩大于閥門的制動轉矩，尤其是閥芯處于半開狀態時，介質所產生的渦流反復作用于閥芯，直至造成閥門自關閉。

介質流過閥芯的渦流需依據閥門的具體結構進行分析，如蝶閥，介質流過蝶盤時在蝶盤后產生渦流，但蝶盤兩側的渦流是不平衡的，于是會在蝶盤上產生轉矩，轉矩的計算也是相當復雜的。閥門的操作轉矩隨著閥芯與閥座的摩擦、閥軸與填料的摩擦及介質對閥芯的推力壓緊程度的不同而改變，只能用儀表測量。而介質對閥芯的推力，則可以通過公式計算得出。

介質對閥芯產生推力，閥門的閥芯必會產生一個反向轉矩，這個反向轉矩是文中鎖定裝置研究設計需參考的重要參數，反向轉矩也稱為閥門的制動力矩，可通過下面公式進行計算：

式中：A為閥門口徑面積；P為所承受的壓力（即閥門工作壓力）得出軸所承受的靜壓力；μ為摩擦因數（一般鋼鐵間的摩擦因數取0.1，鋼對橡膠的摩擦因數取0.15）；d為軸徑。如果是電動操作機構，制動力矩需乘以1.2～1.5倍的安全系數。

以圖1中閥門為例進行計算，測得閥門的過流直徑為25 mm，閥門公稱壓力為10 MPa，閥軸直徑為10 mm，計算得到閥門的轉矩為74 N·m。乘以安全系數1.5后得到閥門最大轉矩為111 N·m。考慮到止動裝置最關鍵的止動閥盤是鑄造的，加上正常人手力所能達到的范圍是60～120 N，所以止動裝置的彈簧是不能超過這個值的，所以選擇止動裝置最大轉矩為200 N·m。

3.2 結構設計

鎖定裝置既可適用于新閥門的設計制造上，也可用在現有未設置防自關閉的閥門上。鎖定裝置整體設計圖如圖2所示, 鎖定裝置主要部件組裝模型三維圖如圖3所示，示意圖如圖4所示。

圖2 鎖定裝置整體設計圖

圖3 模型三維圖

圖4 裝置組裝示意圖

裝置包括與閥門本體連接的底座，底座上側設有第一限位銷，底座上方設有兩個閥盤，兩個閥盤的相對側設有相互嚙合的輪齒，閥盤上設有卡槽，第一限位銷插裝在下側的閥盤的卡槽內，底座和下側的閥盤之間設有彈簧，底座及閥盤上設有供閥桿穿過的通孔，上側的閥盤上側設有連接件，連接件側部設有與上側的閥盤的卡槽相配合的第二限位銷，連接件中心設有與閥桿上端配合的多邊形孔。

4 實現原理

如圖2所示，閥門本體1通過自身結構設計的銷與閥盤1自身的卡槽進行連接，閥盤1與閥盤2通過齒輪嚙合，彈簧7用于復位與制動功能，底座5用于支撐。裝置實現原理如下。

1）拆除原閥門的閥盤，將本鎖定裝置套入原閥盤的閥桿（針對現有閥門的改造）。

2）閥門使用狀態，在彈簧7的作用下，下側的閥盤4和底座2之間不接觸，兩個閥盤4的輪齒相嚙合，通過底座2與下側的閥盤4的卡合、兩個閥盤4之間的嚙合及上側的閥盤4與連接件9的卡合實現對閥桿8轉動的限制，實現鎖定。

3）當需要進行閥門調節時，向下按壓下側的閥盤4，上、下側閥盤4分離，轉動連接件9，將閥門設置到合適的開度。調節完成后，松開下側的閥盤4，在彈簧7的作用下，下側的閥盤4向上移動，兩個閥盤4重新嚙合，進入鎖定狀態。

5 結論

鎖定裝置是基于前期充分調研的基礎上，為解決生產實際中閥門自關閉問題所進行的一項研究設計工作。本文對鎖定裝置的設計原理、組成結構、實現功能進行了詳細的闡述，為鎖定裝置的加工制作提供了一套完整的方案。總體來說，裝置具有以下優點。

1）結構簡單、制造成本低。鎖定裝置由閥盤連接件、彈簧、閥盤、底座等部件組成，結構簡單，加工及組裝容易。

2）易操作、可靠性高。鎖定裝置通過齒輪結構實現閥門在關方向可靠制動，解開裝置后，閥門可以自由開關。

3）通用性高。鎖定裝置的研制成果可依據現有閥門結構進行靈活設計、制造及組裝，通用性高。

4）應用空間廣泛。可普遍應用于水輪發電機組管道上的各種小型閥門，存在自開啟問題的閥門同樣適用。

鎖定裝置已在白鶴灘水力發電廠籌建處工區供水管道上使用，使用過程中對閥門的開度位置進行了調節試驗，運行中未出現過閥門自關閉和自開啟現象，使用效果良好。鎖定裝置提高了機組輔助設備關鍵閥門的可靠性，減少機組非停率。以白鶴灘電廠因設備可靠性一年損失單機1 h電量（106kW·h）和水電廠平均上網電價0.246元計算，扣除電力增值稅17%后，每度電凈收入為0.21元，共計節約21萬元。