紧急切断阀过流量切断影响因素的研究

     紧急切断阀为移动式压力容器最重要的安全附件之一。移动式压力容器充装介质一般为易燃、易爆、有毒有害、低温等特性, 每年该类车辆因质量问题发生的事故较多, 结合众多罐车交通事故案例, 车辆追尾、侧翻所导致的卸料管道开裂、断裂或因紧急切断阀失效致使危险化学品泄漏而引发的安全事故屡见不鲜, 给社会造成了较大的危害。为防止移动式压力容器在运输、装卸作业过程中发生泄漏等意外事故, 《移动式压力容器安全技术监察规程》、GB/T 22653-2008《液化气体设备用紧急切断阀》等规程标准中规定了紧急切断阀安装、操作及性能要求。紧急切断阀功能包括:可以在现场或一定距离之外, 借助液压、气压或机械方式实现快速闭止;当环境温度由于火灾等原因升高至规定范围时, 借助易熔元件能自动闭止;当由于意外导致管路流量瞬时超过额定流量时, 可自动闭止。其中, 过流量切断性能为其最主要性能之一, 也是其区别于其他阀门最主要特征。

      紧急切断阀结构及工作原理:紧急切断阀结构如图1所示。紧急切断阀由6阀体、4过流阀、3先导阀、1阀杆、2大弹簧、5小弹簧、7凸轮、8油缸组成。紧急切断阀按照驱动方式一般分成三种: (1) 机械驱动式:通过涡轮, 蜗杆机械装置通过控制凸轮进行阀门的提升。 (2) 气压驱动式:通过外部气源驱动凸轮的提升, 这种在低温液体罐车紧急切断阀应用较为广泛。 (3) 液压驱动模式:通过手动液压泵驱动凸轮工作, 这是液化石油气、液氯等液化气体罐车最常用的工作形式。下面以液压驱动方式为例介绍, 当紧急切断阀处于关闭状态时, 手动液压泵处于泄压状态, 对凸轮无作用力, 这时先导阀3在大弹簧1作用向下压紧过流阀4, 使过流阀4处于完全关闭状态, 此时介质无法通过过流阀进入阀腔内;当紧急切断阀开启时, 液压泵通过油压驱动凸轮7转动, 使得阀杆1克服大弹簧1的作用向上运动, 同时带动先导阀3向上运动, 此时罐内介质通过先导阀与过流阀之间的空隙进入阀腔, 由于紧急切断阀后的球阀也是处于关闭, 因此阀腔为封闭状态, 介质在阀腔内迅速汽化使阀腔内压力升高, 当阀腔内压力与罐内压力平衡时, 过流阀4在小弹簧5作用力下向上运动至完全打开, 此时再打开球阀, 罐体可以正常装卸介质。当发生连接接头失效或装卸软管破裂时, 造成流量突然增大, 当流量超过额定流量时, 主阀上下压差大于小弹簧的弹力, 使主阀向下运动关闭, 介质被切断。

      从设备组成结构上, 可以将紧急切断阀过流量性能测试方法分为挤压法^[2]和水泵法^[4]。挤压法是指通过气体作为驱动力, 使气压罐内的水以一定流量与压力通过所测试阀门。水泵法是指以水泵作为驱动力, 通过水泵将水箱内的水以一定流量与压力通过所测试阀门。当阀门前后压力损失大于小弹簧弹力时, 小弹簧向下运动使过流阀关闭, 此时流量为过流量切断流量。

     根据标准GB/T 30832-2014阀门流量系数和流阻系数试验方法^[5]中流量系数K_v按下式 (1) 计算:

式中:

Q——测得的水流量, 单位为立方米每小时 (m³/h) ;

△P_v——阀门的净差压, 单位为千帕 (kPa) ;

——水的密度, 单位为千克每立方米 (kg/m³) ;

——15℃时的水密度, 单位为千克每立方米 (kg/m³) 。

注:水在常温时, /₀的比值取1。

      其中, 流量系数K_v是衡量阀门流通能力的指标, 由阀门的尺寸、形式、结构决定, 对同一阀门在其他条件一定的时流量系数K_v为固定值。

由式 (1) 可以得出阀门的净差压

     由紧急切断阀工作原理可知, 其过流量切断瞬间, 阀门前后净差压等于小弹簧弹力, 为固定值。由于紧急切断阀过流试验用介质一般为水, 因此可忽略粘度的影响因素。因此从式 (2) 可以看出, 某一特定紧急切断阀, 其过流切断流量只与液体密度有关。以下探讨温度与压力变化对过流切断流量的影响。

      通过查询相关文献^[6]可知, 水在0.1MPa时, 不同温度下密度如下表 (1) 所示:

      以某厂生产的型号为QGJ43F-25-7为例, 试验介质为水, 压力0.1MPa, 温度为10℃, 过流切断流量为38m³/h, 将表 (1) 中不同温度下水密度带入式 (2) , 得出相应切断流量和相对百分比如表 (2) 所示:

     通过查询相关文献^[6]可知, 水在10℃时, 不同压力下密度如下表 (3) 所示:

      将表 (3) 中10℃时不同压力下水密度带入式 (2) , 得出相应切断流量和相对百分比如表 (4) 所示:

      通过表 (2) 、 (4) 可以看出, 压力一定时, 在10℃以上随着温度的升高, 水密度降低, 过流切断流量升高, 50℃时过流切断流量最大, 与10℃相比增大0.5932%;温度一定时, 随着压力升高, 水密度升高, 过流切断流量降低, 4.0MPa时最小, 与0.1MPa相比降低了0.09%。压力与温度相比, 其对过流切断流量的影响较小。

GB/T 22653-2008液化气体设备用紧急切断阀中6.3.3额定流量中规定, 阀瓣自行关闭瞬间最大流量的允许偏差为额定流量的±10%。从以上计算可知, 在过流切断流量测量过程中, 介质温度、压力对测量结果影响与其允许偏差相比可以忽略不计。因此在标准GB/T 22653-2 008过流性能试验中没有规定介质温度与压力。

粘度为试验介质的主要特性之一, 流体的粘度只有在运动时才显示出来。流体的粘度越大, 在相同速度下流动时内摩擦力越大, 或者说, 在相同流量下, 介质的粘度越大, 则流体的阻力也越大, 阀门前后压力损失也越大。因此, 同一个紧急切断阀, 利用不同介质进行过流切断试验时, 粘度系数越大, 其过流切断流量越小。因此, 标准GB/T 22653-2008^[2]中6.3.1中规定试验介质为水、煤油或粘度不高于水的非腐蚀性液体。

标准GB/T 22653-2008中6.3.2过流性能试验方法中规定, 试验过程中紧急切断阀后部阀门开启速度应缓慢且恒定, 其目的是在试验过程中得到稳定的流量, 但在实际操作过程中不易实现。笔者在挤压法中通过手动控制阀门开启速度得到不同的过流切断流量, 试验结果如下表 (5) 所示。

试验方法:挤压法, 型号:QGJ43F-25-8, 通径:DN25, 切断流量:18 m³/h, 试验介质:水

      由表 (5) 数据可以看出, 在相同初始压力1.0MPa下, 阀门不同开启时间下, 其切断流量不同。阀门开启速度越小, 阀门开启时间越长, 流体加速度越小, 阀门前后压差越小, 对过流切断流量测试结果影响越小。因此, 阀门开启速度对过流切断流量测试结果影响较大。挤压法中可以通过电动阀门设置开启速度, 水泵法可以通过设置水泵功率缓慢增加得到稳定流量。

      罐体在正常装卸过程中流量处于稳定状态, 但在某些特殊情况下如装卸软管破裂时, 流量突然增大, 与稳定状态相比紧急切断阀前后压差变大, 这时紧急切断阀更易关闭。因此, 紧急切断阀在稳定的额定流量下可以过流切断, 其在特殊情况下应该在低于额定流量下切断, 确保罐体的安全。

      (1) 简述了紧急切断阀过流量切断的工作原理, 给出其流量测试的挤压法和水泵法。挤压法是指通过气体作为驱动力, 而水泵法是指以水泵作为驱动力, 使水以一定流量与压力通过所测试阀门。

      (2) 通过计算分析温度与压力对流量测试的影响, 结果显示与额定流量偏差相比不到1%, 而GB/T22653-2008液化气体设备用紧急切断阀中6.3.3额定流量中规定, 的允许偏差为额定流量的±10%。因此介质温度、压力对测量结果影响与其允许偏差相比可以忽略不计。而且标准GB/T 22653-2008过流性能试验中没有规定介质温度与压力。

      (3) 分析粘度的影响, 指出粘度系数越大, 其过流切断流量越小。因此, 标准GB/T 22653-2008中6.3.1中规定试验介质为水、煤油或粘度不高于水的非腐蚀性液体。

       (4) 分析流体加速度的影响, 通过试验可以看出, 阀门开启速度越快, 流体加速度越大, 阀门前后压差增大, 使阀门在较小流量下过流切断。因此阀门开启速度对过流切断流量结果影响较大, 因此建议挤压法中利用电动阀门设置开启速度, 水泵法通过设置水泵功率缓慢增加得到稳定流量。