二氧化碳滅火系統快速釋放閥的設計與校核

殳 宏 * 王曉東

（1.浙江省特種設備科學研究院 2.浙江威能消防器材股份有限公司）

0 引言

二氧化碳滅火系統主要由氣體滅火報警控制系統、火災探測系統、滅火劑瓶組（含快速釋放閥）、驅動瓶（含電磁閥）、選擇閥、單向閥、氣路控制閥、壓力開關、管路等設備組成。二氧化碳滅火系統如圖1 所示。

圖1 二氧化碳滅火系統

快速釋放閥裝設在滅火劑瓶組上，屬于包裝容器的一部分，用來控制滅火劑瓶組的啟閉，同時快速釋放氣瓶內介質，該閥操作裝置由快速釋放閥本身自帶操作裝置激活，也可由外接驅動裝置激活。

1 結構原理

快速釋放閥內部結構如圖2 所示，采用杠桿、壓緊式密封的結構形式，其密封完全依靠螺紋擰緊力并通過杠桿機構來實現。需要實現自動控制功能時，滅火報警控制系統發出滅火指令后，驅動瓶上的電磁閥開啟驅動瓶，驅動瓶內的高壓氣進入驅動缸，驅動缸內活塞桿頂開搖臂，通過鉸鏈機構推開驅動缸和連接叉，釋放二氧化碳。為了在手動及應急狀態時的操作，快速釋放閥上設計了可移動式手柄安裝孔，只要插入手柄、按下手柄即可釋放出二氧化碳。在正常工作狀態時，保險裝置及手柄都處于移除狀態[1-2]。

圖2 快速釋放閥內部結構圖

其設計參數為：（1）使用溫度為-40 / 60 ℃；（2）公稱工作壓力為15 MPa；（3）試驗壓力為22.5 MPa；（3）公稱通徑為12 mm；（4）主要材質為HPb59-1。

2 相關設計計算

2.1 壁厚校核

根據結確定，閥體的最大內徑DN為20.5 mm，截面處外徑DW為25.5 mm，此處為整個閥體最薄弱點，詳見圖3。

圖3 閥體選定截面尺寸

TSG RF001—2009《氣瓶附件安全技術監察規程》中的壁厚計算式如下，閥體設計壁厚不小于該式的計算值：

式中：S——閥體的計算壁厚，mm ；

p——設計壓力，取公稱工作壓力，MPa；

DN——閥體最大內徑，mm；

[σb] ——材料的許用抗拉應力，N/mm2。

設計安全系數為4，閥體材料選用HPb59-1 鉛黃銅，其抗拉強度為390 N/mm2，則材料的許用抗拉應力 [σb] =390/4=97.5 N/mm2。

將閥體最大內徑值為20.5 mm，公稱工作壓力為15 MPa，材料的許用抗拉應力為97.5 N/mm2，代入式（1）后可得到：

設計壁厚為截面處外徑DW與最大內徑DN差值的一半，即2.5 mm，大于計算壁厚1.47 mm，故安全。

2.2 強度校核

按第三強度理論對上述截面進行校核：

式中：σ1，σ3——分別為最大、最小主應力；

[σ] ——材料的許用抗拉應力。

經計算得出：

而材料的許用抗拉應力[σ]為97.5 N/mm2，故符合強度校核條件。

2.3 密封副校核

快速釋放閥的閥座密封面采用凸臺結構型式，為面接觸，如圖4 所示。對密封面寬度進行比壓計算，驗算的合格條件為：

圖4 密封副示意圖

式中：qMF——密封面上必須的比壓；

[q] ——密封面的許用比壓；

Q——驗算的實際比壓。

驗算的實際比壓可按下式計算：

式中：d——凸臺密封面內徑，mm；

Bm——凸臺密封面寬度，mm；

QMZ——凸臺密封面上的總作用力。

QMZ可按下式計算：

式中：QMF——密封面上達到必須比壓時的作用力。

QMF可按下式計算：

式中：QMJ——作用在密封面上的介質靜壓力。

QMJ可按下式計算：

將閥體凸臺密封面內徑d為12 mm，密封面寬度bm為1 mm，銅合金的必須比壓QMF為30 MPa 代入式（6）、式（7），經計算可得：

并將上述得出結果代入式（4）、式（5），計算后可得：

經查材料的許用比壓[q]為80 MPa，驗算的實際比壓q為78.8 MPa，符合標準要求。

2.4 氣瓶安全泄放量與泄壓裝置額定排放量

二氧化碳快速釋放閥采用爆破片安全泄放裝置，爆破片為一次性泄壓裝置，在額定溫度條件下，爆破片兩側壓力差達到額定值時，爆破片破裂，閥門安全泄壓[3-4]。壓力泄放裝置如圖5 所示。

圖5 壓力泄放裝置

根據標準GB/T 33215—2016 《氣瓶安全泄壓裝置》，盛裝高壓液化氣體的氣瓶，安全泄放量應不小于式（8）的計算值：

式中：p——泄放壓力，MPa；

M——瓶內所裝介質的摩爾質量，kg/kmol；

V——氣瓶的容積，L。

根據GB/T 33215—2016 標準要求，爆破片的標定爆破壓力(在15～60 ℃的室溫下) 不應超過其設計爆破壓力（水壓試驗壓力），也不應小于設計爆破壓力的 90%，因此選擇22.5 MPa 為泄放壓力。

瓶內介質為二氧化碳，摩爾質量為44 kg/kmol，氣瓶的容積為80 L。

根據GB/T 33215—2016 標準，泄壓裝置的額定排量可按式（9）計算：

式中：C——氣體的特性系數；

K——泄壓裝置的泄放系數，一般取0.6；

p——泄放壓力，MPa；

A——爆破片的最小泄放面積，爆破片的最小泄放面積為保護主體內孔，取12.6 mm2；

M——瓶內所裝介質的摩爾質量，kg/kmol；

Z——氣體壓縮因子；

T——泄放壓力下介質的絕對溫度，泄壓裝置的泄放溫度為60 ℃。

查閱標準HG/T 20570.2—1995《安全閥的設置和選用》可得，二氧化碳氣體的特征系數C為347；根據GB/T 33215—2016 標準中的簡單氣體的壓縮系數圖，查得二氧化碳氣體的壓縮因子Z取0.46。

將上述數據代入式（9），計算得出氣瓶的泄壓裝置的額定排量為：

快速釋放閥上裝設的安全泄壓裝置的額定排量Wr為2 422 kg/h，大于氣瓶的安全泄放量Ws（2 113 kg/h），滿足泄放要求，符合設計要求。

2.5 密封設計

當快速釋放閥處于開啟狀態，如圖2 所示，閥桿總成被內部介質力上推至開啟行程，滅火介質經閥座密封臺階、噴口及噴口外部所連接的管道泄放。開啟狀態時的密封為外部密封，主要有兩部分，一部分在閥桿與壓緊螺母之間、一部分在閥體與壓緊螺母之間。兩處均采用O 形圈密封。

當快速釋放閥處于關閉狀態，如圖6 所示，其密封點位于閥桿與閥體之間，對于整個快速釋放閥的密封來說，閥桿總成既起外部密封作用，如閥桿總成上端O 形圈部位，閥桿又起內部密封作用，如閥桿與閥體之間密封。

圖6 內、外部密封點

2.5.1 外部密封點1設計

外部密封點1 在閥桿與壓緊螺母之間，在開啟過程中為動密封，開啟后處于靜止狀態，為靜密封。所以此處設計應將動密封與靜密封相結合進行設計，根據標準GB/T 3452.3—2005《液壓氣動用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸》，動密封O 形圈設計壓縮率應控制在9.5%～25.5%，靜密封設計壓縮率應控制在13.5%～30.5%，二者取其重，則設計壓縮率應控制在13.5%～25.5%。

因快速釋放閥公稱工作壓力為15 MPa，屬于高壓情況下密封，且閥桿為動、靜密封結合，為防止閥桿在動作過程中卡死，同時保證內部密封性，故閥桿外徑尺寸小于閥桿孔內徑0.2 mm，同時為了防止 O形圈發生“間隙咬傷”現象，需在閥桿槽內裝設有擋圈，同時擋圈還有助于O 形圈保持良好的潤滑。此處擋圈選用聚四氟乙烯（PTFE）。根據ISO 11114-2《氣瓶和瓶閥材料與盛裝氣體的相容性 第二部分：非金屬材料》，查表得出PTFE 與二氧化碳兼容性為A，可接受；O 形圈選用EPDM，與二氧化碳兼容性為ASW，可接受，但是會有質量損失及溶脹現象。

當EPDM 與二氧化碳介質接觸時，會吸收一定數量的二氧化碳。O 形圈溝槽的體積應能適應O 形圈溶脹以及由于溫度升高而產生的O 形圈膨脹。密封槽設計寬度為2 mm。經計算得出O 形圈溝槽體積為79.31 mm3，O 形圈體積為60.84 mm3，根據標準GB/T 3452.3—2005，按15%溶脹計算得出，O 形圈溶脹后體積為67 mm3，比O 形圈溝槽體積小79.31 mm3，設計滿足要求[5]。

2.5.2 外部密封點2設計

外部密封點2 在壓緊螺母與閥體之間，該處O形圈裝設在壓緊螺母上，與閥體內孔配合密封，壓緊螺母與閥體螺紋連接。密封結構類似于活塞桿靜密封。壓縮率應控制在13.5%～30.5%。

密封槽寬度設計為2.2 mm。經計算得出O 形圈溝槽體積為168.36 mm3，O 形圈體積為115.58 mm3，根據標準GB/T 3452.3—2005，按15%溶脹計算得出，O 形圈溶脹后體積為132.92 mm3，小于O 形圈溝槽體積168.36 mm3，設計滿足要求。

2.5.3 內部密封點設計

內部密封性能直接決定快速釋放閥的性能，此處需長時間保持密封，僅在突發火災下打開。此處密封設計采用凸臺密封，非金屬與金屬之間配合密封。快速釋放閥的公稱工作壓力為15 MPa，所以提出了非金屬材料必須有較高的硬度，抵御變形。經過對聚四氟乙烯（PTFE）、尼龍1010（PA）和三氟聚氯乙烯（PCTFE）進行硬度、介質相容性試驗后可知，PCTFE 的硬度最大，PTFE 的硬度最小。根據ISO 11114-2 標準查表得出3 種材料與二氧化碳兼容性均為A，即可接受。由于硬度大、密封性強和使用壽命長的綜合性能考量，選擇其作為密封材料。

二氧化碳為低溫介質，且快速釋放閥在快速開啟過程中所產生的沖擊力對閥桿產生沖擊，若密封墊收口處理不當，則密封墊會脫離密封槽，且密封墊長時間受處于壓狀態，閥桿密封槽周邊容易開裂。故提出了對收口處理更高的要求。圖7 為閥桿收口示意圖。閥桿總成的加工工藝為：閥桿、密封墊車加工→裝配O 形圈→裝配密封墊→沖壓收口→平密封端面。

圖7 閥桿收口示意圖

2.6 進出氣口連接形式

根據GB/T 8335—2011《氣瓶專用螺紋》及氣瓶閥門的結構型式，選取PZ27.8 氣瓶專用螺紋。根據GB/T 15383—2011 標準中特定氣體的確定原則，二氧化碳為特定氣體，歸入第2 組，連接螺紋為G 5/8。

3 結語

快速釋放閥是氣瓶的安全附件，采用機械與氣動雙重開啟方式，具有結構簡單、工作可靠、啟閉迅速等特點。上述相關設計計算校核可作為同類閥門的設計參考。