緊急切斷閥過流量切斷影響因素的研究

     緊急切斷閥為移動式壓力容器最重要的安全附件之一。移動式壓力容器充裝介質(zhì)一般為易燃、易爆、有毒有害、低溫等特性, 每年該類車輛因質(zhì)量問題發(fā)生的事故較多, 結(jié)合眾多罐車交通事故案例, 車輛追尾、側(cè)翻所導致的卸料管道開裂、斷裂或因緊急切斷閥失效致使危險化學品泄漏而引發(fā)的安全事故屢見不鮮, 給社會造成了較大的危害。為防止移動式壓力容器在運輸、裝卸作業(yè)過程中發(fā)生泄漏等意外事故, 《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB/T 22653-2008《液化氣體設備用緊急切斷閥》等規(guī)程標準中規(guī)定了緊急切斷閥安裝、操作及性能要求。緊急切斷閥功能包括:可以在現(xiàn)場或一定距離之外, 借助液壓、氣壓或機械方式實現(xiàn)快速閉止;當環(huán)境溫度由于火災等原因升高至規(guī)定范圍時, 借助易熔元件能自動閉止;當由于意外導致管路流量瞬時超過額定流量時, 可自動閉止。其中, 過流量切斷性能為其最主要性能之一, 也是其區(qū)別于其他閥門最主要特征。

      緊急切斷閥結(jié)構(gòu)及工作原理:緊急切斷閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。緊急切斷閥由6閥體、4過流閥、3先導閥、1閥桿、2大彈簧、5小彈簧、7凸輪、8油缸組成。緊急切斷閥按照驅(qū)動方式一般分成三種: (1) 機械驅(qū)動式:通過渦輪, 蝸桿機械裝置通過控制凸輪進行閥門的提升。 (2) 氣壓驅(qū)動式:通過外部氣源驅(qū)動凸輪的提升, 這種在低溫液體罐車緊急切斷閥應用較為廣泛。 (3) 液壓驅(qū)動模式:通過手動液壓泵驅(qū)動凸輪工作, 這是液化石油氣、液氯等液化氣體罐車最常用的工作形式。下面以液壓驅(qū)動方式為例介紹, 當緊急切斷閥處于關(guān)閉狀態(tài)時, 手動液壓泵處于泄壓狀態(tài), 對凸輪無作用力, 這時先導閥3在大彈簧1作用向下壓緊過流閥4, 使過流閥4處于完全關(guān)閉狀態(tài), 此時介質(zhì)無法通過過流閥進入閥腔內(nèi);當緊急切斷閥開啟時, 液壓泵通過油壓驅(qū)動凸輪7轉(zhuǎn)動, 使得閥桿1克服大彈簧1的作用向上運動, 同時帶動先導閥3向上運動, 此時罐內(nèi)介質(zhì)通過先導閥與過流閥之間的空隙進入閥腔, 由于緊急切斷閥后的球閥也是處于關(guān)閉, 因此閥腔為封閉狀態(tài), 介質(zhì)在閥腔內(nèi)迅速汽化使閥腔內(nèi)壓力升高, 當閥腔內(nèi)壓力與罐內(nèi)壓力平衡時, 過流閥4在小彈簧5作用力下向上運動至完全打開, 此時再打開球閥, 罐體可以正常裝卸介質(zhì)。當發(fā)生連接接頭失效或裝卸軟管破裂時, 造成流量突然增大, 當流量超過額定流量時, 主閥上下壓差大于小彈簧的彈力, 使主閥向下運動關(guān)閉, 介質(zhì)被切斷。

      從設備組成結(jié)構(gòu)上, 可以將緊急切斷閥過流量性能測試方法分為擠壓法^[2]和水泵法^[4]。擠壓法是指通過氣體作為驅(qū)動力, 使氣壓罐內(nèi)的水以一定流量與壓力通過所測試閥門。水泵法是指以水泵作為驅(qū)動力, 通過水泵將水箱內(nèi)的水以一定流量與壓力通過所測試閥門。當閥門前后壓力損失大于小彈簧彈力時, 小彈簧向下運動使過流閥關(guān)閉, 此時流量為過流量切斷流量。

     根據(jù)標準GB/T 30832-2014閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗方法^[5]中流量系數(shù)K_v按下式 (1) 計算:

式中:

Q——測得的水流量, 單位為立方米每小時 (m³/h) ;

△P_v——閥門的凈差壓, 單位為千帕 (kPa) ;

——水的密度, 單位為千克每立方米 (kg/m³) ;

——15℃時的水密度, 單位為千克每立方米 (kg/m³) 。

注:水在常溫時, /₀的比值取1。

      其中, 流量系數(shù)K_v是衡量閥門流通能力的指標, 由閥門的尺寸、形式、結(jié)構(gòu)決定, 對同一閥門在其他條件一定的時流量系數(shù)K_v為固定值。

由式 (1) 可以得出閥門的凈差壓

     由緊急切斷閥工作原理可知, 其過流量切斷瞬間, 閥門前后凈差壓等于小彈簧彈力, 為固定值。由于緊急切斷閥過流試驗用介質(zhì)一般為水, 因此可忽略粘度的影響因素。因此從式 (2) 可以看出, 某一特定緊急切斷閥, 其過流切斷流量只與液體密度有關(guān)。以下探討溫度與壓力變化對過流切斷流量的影響。

      通過查詢相關(guān)文獻^[6]可知, 水在0.1MPa時, 不同溫度下密度如下表 (1) 所示:

      以某廠生產(chǎn)的型號為QGJ43F-25-7為例, 試驗介質(zhì)為水, 壓力0.1MPa, 溫度為10℃, 過流切斷流量為38m³/h, 將表 (1) 中不同溫度下水密度帶入式 (2) , 得出相應切斷流量和相對百分比如表 (2) 所示:

     通過查詢相關(guān)文獻^[6]可知, 水在10℃時, 不同壓力下密度如下表 (3) 所示:

      將表 (3) 中10℃時不同壓力下水密度帶入式 (2) , 得出相應切斷流量和相對百分比如表 (4) 所示:

      通過表 (2) 、 (4) 可以看出, 壓力一定時, 在10℃以上隨著溫度的升高, 水密度降低, 過流切斷流量升高, 50℃時過流切斷流量最大, 與10℃相比增大0.5932%;溫度一定時, 隨著壓力升高, 水密度升高, 過流切斷流量降低, 4.0MPa時最小, 與0.1MPa相比降低了0.09%。壓力與溫度相比, 其對過流切斷流量的影響較小。

GB/T 22653-2008液化氣體設備用緊急切斷閥中6.3.3額定流量中規(guī)定, 閥瓣自行關(guān)閉瞬間最大流量的允許偏差為額定流量的±10%。從以上計算可知, 在過流切斷流量測量過程中, 介質(zhì)溫度、壓力對測量結(jié)果影響與其允許偏差相比可以忽略不計。因此在標準GB/T 22653-2 008過流性能試驗中沒有規(guī)定介質(zhì)溫度與壓力。

粘度為試驗介質(zhì)的主要特性之一, 流體的粘度只有在運動時才顯示出來。流體的粘度越大, 在相同速度下流動時內(nèi)摩擦力越大, 或者說, 在相同流量下, 介質(zhì)的粘度越大, 則流體的阻力也越大, 閥門前后壓力損失也越大。因此, 同一個緊急切斷閥, 利用不同介質(zhì)進行過流切斷試驗時, 粘度系數(shù)越大, 其過流切斷流量越小。因此, 標準GB/T 22653-2008^[2]中6.3.1中規(guī)定試驗介質(zhì)為水、煤油或粘度不高于水的非腐蝕性液體。

標準GB/T 22653-2008中6.3.2過流性能試驗方法中規(guī)定, 試驗過程中緊急切斷閥后部閥門開啟速度應緩慢且恒定, 其目的是在試驗過程中得到穩(wěn)定的流量, 但在實際操作過程中不易實現(xiàn)。筆者在擠壓法中通過手動控制閥門開啟速度得到不同的過流切斷流量, 試驗結(jié)果如下表 (5) 所示。

試驗方法:擠壓法, 型號:QGJ43F-25-8, 通徑:DN25, 切斷流量:18 m³/h, 試驗介質(zhì):水

      由表 (5) 數(shù)據(jù)可以看出, 在相同初始壓力1.0MPa下, 閥門不同開啟時間下, 其切斷流量不同。閥門開啟速度越小, 閥門開啟時間越長, 流體加速度越小, 閥門前后壓差越小, 對過流切斷流量測試結(jié)果影響越小。因此, 閥門開啟速度對過流切斷流量測試結(jié)果影響較大。擠壓法中可以通過電動閥門設置開啟速度, 水泵法可以通過設置水泵功率緩慢增加得到穩(wěn)定流量。

      罐體在正常裝卸過程中流量處于穩(wěn)定狀態(tài), 但在某些特殊情況下如裝卸軟管破裂時, 流量突然增大, 與穩(wěn)定狀態(tài)相比緊急切斷閥前后壓差變大, 這時緊急切斷閥更易關(guān)閉。因此, 緊急切斷閥在穩(wěn)定的額定流量下可以過流切斷, 其在特殊情況下應該在低于額定流量下切斷, 確保罐體的安全。

      (1) 簡述了緊急切斷閥過流量切斷的工作原理, 給出其流量測試的擠壓法和水泵法。擠壓法是指通過氣體作為驅(qū)動力, 而水泵法是指以水泵作為驅(qū)動力, 使水以一定流量與壓力通過所測試閥門。

      (2) 通過計算分析溫度與壓力對流量測試的影響, 結(jié)果顯示與額定流量偏差相比不到1%, 而GB/T22653-2008液化氣體設備用緊急切斷閥中6.3.3額定流量中規(guī)定, 的允許偏差為額定流量的±10%。因此介質(zhì)溫度、壓力對測量結(jié)果影響與其允許偏差相比可以忽略不計。而且標準GB/T 22653-2008過流性能試驗中沒有規(guī)定介質(zhì)溫度與壓力。

      (3) 分析粘度的影響, 指出粘度系數(shù)越大, 其過流切斷流量越小。因此, 標準GB/T 22653-2008中6.3.1中規(guī)定試驗介質(zhì)為水、煤油或粘度不高于水的非腐蝕性液體。

       (4) 分析流體加速度的影響, 通過試驗可以看出, 閥門開啟速度越快, 流體加速度越大, 閥門前后壓差增大, 使閥門在較小流量下過流切斷。因此閥門開啟速度對過流切斷流量結(jié)果影響較大, 因此建議擠壓法中利用電動閥門設置開啟速度, 水泵法通過設置水泵功率緩慢增加得到穩(wěn)定流量。