液氯移動罐車用緊急切斷閥的設計與計算分析

駱云松

（河北馳潤石油化工機械設備科技有限公司，河北 石家莊051430）

1 概述

液氯移動罐車為液氯陸路運輸專用移動式壓力容器，是指用以充裝液氯并可運輸的壓力容器，此類容器沒有固定的使用地點和操作人員，使用環境經常變化，且液氯具有強烈的刺激作用、強腐蝕性,且性質活潑，與其它易燃氣體在日光下混合時易發生燃燒和爆炸，從發生事故的可能性及造成的后果來看，危險性較大。液氯罐車緊急切斷閥作為液氯移動罐車的緊急切斷設備，目前國內生產制造單位較少、品質較差、使用壽命較低，造成液氯移動罐車的緊急切斷閥更換較為頻繁，且在運輸過程中存在諸多安全隱患。基于以上，設計并開發新型液氯移動罐車緊急切斷閥（以下簡稱緊急切斷閥）的任務緊迫且意義十分重大。

2 結構特點

該緊急切斷閥通過法蘭連接安裝于液氯移動罐車頂部閥門箱內，為液氯移動罐車裝卸系統管路的控制閥門，要求閥門具備緊急切斷功能、節流截止功能、過流保護功能，且其緊急切斷部位應采用液壓控制。移動罐車為危險品運輸車輛，其整體高度尺寸受限于相關標準的限制，所以要求緊急切斷閥具有合理的外形尺寸。液氯移動罐車設置有氣、液兩路管道，且都安裝有相同公稱尺寸的緊急切斷閥，由于其氣相管路在罐內介質液面之上，緊急切斷閥裝入罐車內部的長度將直接影響罐內液氯的裝載體積，所以要求該緊急切斷閥的結構要相對緊湊。

2.1 設定參數

壓力等級：PN25

公稱尺寸：DN50

最大流量：45m3/h±10%

切斷時間：＜5s

驅動方式：液壓

2.2 兩位一體結構

緊急切斷閥采用兩位一體結構，閥體通道采用角式結構，上部為節流截止控制結構，下部為緊急切斷結構，通過兩位一體式結構設計可大大提高閥門的整體空間利用率，能夠在保證不影響液氯移動罐車高度的情況下運行所要求的節流截止及緊急切斷功能。考慮到閥門使用過程中液氯為油狀易在閥瓣密封面處殘留而降低密封性，因此上、下閥瓣采用錐形密封面(圖1)有利于介質沖刷防止污物殘留，即，提高閥瓣的密封面使用壽命。

2.3 緊急切斷結構

圖1 錐形密封面

為了減少緊急切斷閥裝入罐體內部的結構長度，采用了緊湊型的緊急切斷結構。緊急切斷結構的打開/關閉操作采用外裝于緊急切斷閥閥體外部的帶有易溶塞的油缸結構進行液壓式驅動。緊急切斷結構的復位彈簧采用圓柱螺旋彈簧推動閥瓣快速切斷的結構保證快速緊急切斷，事故狀態下緊急切斷時，可通過人工進行操作油缸泄壓或遇火災突發情況下油缸易溶塞融化進行泄壓，油缸結構活塞桿的推力失效，下閥桿和閥瓣在彈簧力下向下閥體密封面移動，閥瓣迅速切斷。除此之外，當進行卸車操作時液氯由罐體內部通過緊急切斷閥流出，若流速過快易造成事故的發生。采用安裝在下閥瓣背部的過流彈簧（圓錐螺旋彈簧）通過介質流量自由控制閥瓣開度。當流速過快超過預定流速時介質在下閥瓣所施加的流動壓力大于過流彈簧所施加于閥瓣的力，使得下閥瓣向下閥體密封面處移動，閥瓣開度減小或關閉。

2.4 先導小閥瓣輔助開啟功能

緊急切斷閥的緊急切斷結構在下閥瓣處采用先導小閥瓣結構，當油缸活塞桿推動外撥桿，外撥桿帶動橫軸及內撥桿轉動將下閥桿壓下，由于下閥瓣與小閥瓣與介質接觸面積不同，使得小閥瓣所受介質作用力小于下閥瓣進而小閥瓣先于下閥瓣開啟，小閥瓣開啟后介質由小閥瓣進入閥體內部，從而下閥瓣內外壓均衡，后在復位癱瘓的推動下,下閥瓣打開，即,減小了下閥瓣開啟所需的下壓作用力。

2.5 上閥桿集成波紋管結構

緊急切斷閥上部節流截止控制結構的上閥桿集成有波紋管結構，并通過與閥桿、閥蓋處的填料配合組成了該部的雙保險密封保護，大大提高了閥門的密封性能及使用壽命。

3 工作原理

當閥門需要開啟時，使用安裝于液氯罐車的液壓泵向緊急切斷閥油缸處加壓進而使得活塞桿推動外撥桿，外撥桿帶動橫軸轉動帶動內撥桿轉動，內撥桿的轉動作用于下閥桿向下移動，使得小閥瓣、下閥瓣依次打開，后轉動上部手輪使上閥瓣開啟，閥門全部開啟。當閥門需要緊急切斷時通過液壓泵泄壓或遇火災使得油缸處的易溶塞融化泄壓，油缸活塞桿作用力失效，在緊急切斷結構的復位彈簧的作用下下閥桿向上移動，從而使得下閥瓣緊急關閉，后轉動上部手輪使上閥瓣關閉，閥門全部關閉。

4 設計計算

由于該緊急切斷閥上部結構與常規截止閥的結構較為相似，因此該部分的計算內容不做相關贅述。這里僅介紹閥體壁厚、下閥瓣密封面總作用力及計算比壓。

4.1 閥體壁厚計算

根據GB/T 12224-2005《鋼制閥門 一般要求》主要進行閥體通道處最小壁厚計算及閥體中腔處最小壁厚計算。

4.1.1 閥體通道處最小壁厚計算

式中tB——閥體通道實際壁厚；tB1——閥體中腔實際壁厚;t'B——閥體通道計算壁厚;t'B1——閥體中腔計算壁厚;PN——公稱壓力;d ——管口進口端最小內徑（可為DN90%）;d''——用于確定中腔壁厚的直徑（2/3d'）;d' ——中腔最大直徑;K——系數;S0——應力系數（取48.3）;c1——附加裕量。

4.2 下閥瓣密封面總作用力及計算比壓

該緊急切斷閥下閥瓣處采用錐面密封結構，且下閥瓣在關閉狀態下會受到復位彈簧、過流彈簧及介質的作用力，在實際設計及計算時應當進行全面分析考慮。

式中FMZ——密封面上總作用力;FMJ——密封面上介質作用力;DMN——密封面內徑;bM——密封面寬度;α ——密封面錐半角;PN ——設計壓力;FMF——密封面上密封力;DMN——密封面外徑;f ——密封面摩擦因數;q ——密封面計算比壓;qMF——密封面必須比壓;[q]——密封面許用比壓;F——彈簧作用合力。

5 最大流量折算和試驗方法

該緊急切斷閥的最大流量試驗介質為水，由于液氯與水的密度和黏度不同，所以經試驗得出的結果不能直接判定為實際工況下液氯的實際流量，需通過相關換算公式計算后才可得到真實結果。本折算方法通過水作為緊急切斷閥最大流量試驗的試驗介質，并通過水與液化石油氣最大流量換算公式、液化石油氣與其他介質最大流量換算公式推導得出水與液氯的最大流量折算公式。

5.1 試驗介質

水和粘度與水近似的礦物油。

5.2 液化石油氣流量與試驗介質流量的折算

5.3 其他介質與液化石油氣額定流量的折算

5.4 將5.2 和5.3 公式整理解得其他介質與水最大流量的折算公式

5.4 試驗方法與裝置

試驗前開啟緊急切斷閥上閥瓣，將試驗閥安裝于試驗裝置。以泵向穩壓罐內充氣壓打開閥5，將介質引向試驗閥。此時閥8關閉，使試驗閥后形成一個封閉空間。緊急切斷閥的下閥瓣前后均壓，開啟下閥瓣。然后逐漸開啟閥8，流量隨之上升，至下閥瓣自行關閉，記下關閉前瞬間的最大流量。開啟閥8 的速度應緩慢且恒定。重復試驗三次，流量均應在Qmax的±10%范圍內。

6 結論

由于該緊急切斷閥安裝于液氯移動罐車，因此對閥門的安裝空間和整體結構長度提出了相關限制要求，在充分研究移動罐車緊急切斷閥國內外現有技術和標準的基礎上，采用新型緊湊式緊急切斷結構，將復位彈簧與過流彈簧直接集成于閥體內部，有效降低了閥門的高度及罐體裝入量。完成緊急切斷結構處的過流保護結構設計，解決了介質流速過快下的應急保護問題。同時外裝油缸帶有高溫保護易溶塞，解決了突發火災事故時的自動泄壓關閉問題，實現了高溫狀況下的自動緊急關閉功能。通過上閥桿集成波紋管設計及閥瓣錐形密封設計，有效提高了閥門的密封性能，延長了閥門的使用壽命。通過研發具有自主知識產權的液氯移動罐車專用緊急切斷閥，掌握了移動罐車緊急切斷閥的核心技術，滿足國內危化品運輸的安全需求。