氣動緊急切斷閥緊急關閉防撞結構的研究

劉夢仙，李剛，李曉蘭，張彬彬

(天津市華油漢威科技發展有限公司，天津 300074)

緊急切斷閥[1]主要應用在主要原料的加工管路，高危險物料的加工處理管路及儲存運輸管路中。緊急切斷閥包括閥體和執行機構兩部分，執行機構通常由位于控制中心的計算機控制系統進行遠程操作，也可以在現場操作，在火災或者其他危險工況時，要求執行器能夠快速響應并驅動閥門迅速關閉實現快速關閉，以減少物料的損失，或者避免高溫高壓及危險物料流散至空氣中或者下游，造成人員傷害和經濟損失。執行機構驅動閥門迅速關閉的過程中，閥芯與密封組件之間會由于快速關閉而產生非常大的沖擊力，反作用于密封組件和閥芯，容易造成密封組件的損壞[2]，如果介質中含有顆粒物，密封組件的損壞概率會更大，從而影響閥門的密封性能，造成閥門泄漏。不僅給用戶帶來嚴重的經濟損失，更可怕的是一旦閥門泄漏，危險物料會逸散到空氣中威脅生命和環境安全。本文針對油氣行業氣動緊急切斷閥的安全性提出了切斷閥快關并緩慢閉合(簡稱為“快關慢合”)的概念[3]，并提供一種能實現切斷閥“快關慢合”的設計方法，既能加快閥門的運動速度又能減輕驅動力，該方法在閥門接近關閉時能有效地減小驅動力，從而減弱驅動力對閥門密封組件壽命的影響程度，有效地增強閥門的安全性[4]。

1 切斷閥實現“快關慢合”的技術和現狀

氣動執行機構分為單作用和雙作用兩種，不管是單作用還是雙作用氣動執行機構，要加快氣動執行機構動作，通常的方法就是增大進氣口和排氣口的口徑，來增大進氣量和排氣量[5]。

一種撥叉式單作用氣動執行機構的控制原理[6]如圖1所示，圖1中Port1為單作用氣動執行機構的進氣口，Port2為其排氣口，兩位三通電磁換向閥通電后，壓力氣源經過過濾減壓閥、電磁閥、快排閥后進入Port1，高壓氣體推動活塞向左運動，經由Port2、單向閥、消音器排氣，氣動執行機構排氣口帶動撥叉偏轉，壓緊彈簧腔內的彈簧，打開閥門。當電磁閥斷電或者失氣后，彈簧因處于壓縮狀態回彈，推動活塞和撥叉運動，經由Port1、快排閥、單向閥、消音器排氣，關閉閥門。如上所述，為了使閥門能夠快速關閉，采用增大進排氣口口徑和進排氣管路管徑方法，增大氣動執行機構單位時間內的排氣量[7]，從而加快氣動執行機構內活塞和撥叉的運動速度，使得閥門閥芯快速關閉。

圖1 撥叉式單作用氣動執行機構的控制原理示意

2 切斷閥緊急關閉防撞結構的設計

目前，雖然常用增加進氣口和排氣口口徑的方法來加速氣缸的動作實現快速關斷閥門，但是該方法會使閥門在關閉的過程中承受很大的關閉扭矩[8]，該作用力對閥門內件的損壞比較嚴重，造成閥門泄漏，影響閥門的壽命和管路的安全性[9]。而且隨著氣缸彈簧的釋放，閥門關閉過程中，關閉扭矩并不是一個定值。以氣動偏心蝶閥為例，在氣動執行機構彈簧釋放的瞬間，關閉扭矩克服閥桿與軸套、填料之間以及蝶板與閥座之間的靜摩擦力，作用于閥桿和蝶板，隨著閥桿與蝶板的轉動閥桿與閥座發生相對滑動，阻力減小，在蝶板即將關閉的瞬間，關閉扭矩作用于閥門的閥座和蝶板之間，使得蝶板和閥座之間產生很大的相互作用力[10]，嚴重影響蝶板和閥座的服役壽命。如果蝶板和閥座之間的介質中夾雜著顆粒物，顆粒物會嚴重損壞密封面，造成閥門泄漏，嚴重時會造成閥門密封失效[11]，這種損壞是突然的, 屬于不可探測的危險失效[12]，很可能會給整個裝置帶來不可估量的損失。

為了避免出現上述不可探測的危險失效[13]，基于圖1所示的控制方式，增加氣動執行機構位置感應閥、減速閥和調速閥，得到“快關慢合”式單作用氣動執行機構，控制原理如圖2所示，當兩位三通電磁換向閥通電時，氣源經快排閥、Port1進氣，氣動執行機構活塞向左運動，閥門全開。當兩位三通電磁換向閥斷電或失氣時，氣動執行機構彈簧回彈，當活塞向右運行至某一位置時，氣動執行機構內的撥叉關閉位置感應閥，位置感應閥的氣路斷開，減速閥失電，氣動執行機構Port1，Port2與快排閥、調速閥導通，排氣室內氣壓由原來的與大氣導通，變為2個氣缸室內氣體氣壓平衡，排氣室內阻力增大，活塞減速，所以在閥門關閉的瞬間力矩減小，從而減少了蝶閥蝶板和閥座之間的相互作用力，避免了這種不可探測的危險失效的發生。通過調節調速閥改變導通氣流的速度，從而調節閥門關閉瞬間阻力的大小，改進后的閥門控制方案起到了提高閥門安全性的作用[14]。

圖2 快關慢合式單作用氣動執行機構的控制原理示意

3 應用案例分析

通過對試驗裝置的測試，得到閥門關閉過程中閥門的行程與時間的關系曲線如圖3所示。圖3中顯示了閥關閉過程中閥門的行程隨時間的變化情況，并與普通執行器進行對比，得到閥門關閉時間可以完全滿足要求，而且在閥門關閉的瞬間閥門關閉速度變緩的結論，滿足設計要求。

圖3 閥門行程與時間的關系曲線示意

4 結束語

基于目前氣動緊急切斷閥現場應用現狀，針對氣動緊急切斷閥的控制原理，提出切斷閥“快關慢合”的概念，在原有氣動緊急切斷閥控制原理的基礎上，提出切斷閥“快關慢合”的設計方法，該方法既能提高切斷閥的關閉速度[15]，又能提高閥門的使用壽命，更重要的是生產的安全性也得到了有力的保障，而且可以為用戶提供更加安全和經濟的生產條件[16]。