緊急切斷閥過(guò)流量切斷影響因素的研究

     緊急切斷閥為移動(dòng)式壓力容器最重要的安全附件之一。移動(dòng)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(lèi)車(chē)輛因質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生的事故較多, 結(jié)合眾多罐車(chē)交通事故案例, 車(chē)輛追尾、側(cè)翻所導(dǎo)致的卸料管道開(kāi)裂、斷裂或因緊急切斷閥失效致使危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏而引發(fā)的安全事故屢見(jiàn)不鮮, 給社會(huì)造成了較大的危害。為防止移動(dòng)式壓力容器在運(yùn)輸、裝卸作業(yè)過(guò)程中發(fā)生泄漏等意外事故, 《移動(dòng)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(shè)備用緊急切斷閥》等規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)或一定距離之外, 借助液壓、氣壓或機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)快速閉止;當(dāng)環(huán)境溫度由于火災(zāi)等原因升高至規(guī)定范圍時(shí), 借助易熔元件能自動(dòng)閉止;當(dāng)由于意外導(dǎo)致管路流量瞬時(shí)超過(guò)額定流量時(shí), 可自動(dòng)閉止。其中, 過(guò)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(mén)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(guò)流閥、3先導(dǎo)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(dòng)方式一般分成三種: (1) 機(jī)械驅(qū)動(dòng)式:通過(guò)渦輪, 蝸桿機(jī)械裝置通過(guò)控制凸輪進(jìn)行閥門(mén)的提升。 (2) 氣壓驅(qū)動(dòng)式:通過(guò)外部氣源驅(qū)動(dòng)凸輪的提升, 這種在低溫液體罐車(chē)緊急切斷閥應(yīng)用較為廣泛。 (3) 液壓驅(qū)動(dòng)模式:通過(guò)手動(dòng)液壓泵驅(qū)動(dòng)凸輪工作, 這是液化石油氣、液氯等液化氣體罐車(chē)最常用的工作形式。下面以液壓驅(qū)動(dòng)方式為例介紹, 當(dāng)緊急切斷閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí), 手動(dòng)液壓泵處于泄壓狀態(tài), 對(duì)凸輪無(wú)作用力, 這時(shí)先導(dǎo)閥3在大彈簧1作用向下壓緊過(guò)流閥4, 使過(guò)流閥4處于完全關(guān)閉狀態(tài), 此時(shí)介質(zhì)無(wú)法通過(guò)過(guò)流閥進(jìn)入閥腔內(nèi);當(dāng)緊急切斷閥開(kāi)啟時(shí), 液壓泵通過(guò)油壓驅(qū)動(dòng)凸輪7轉(zhuǎn)動(dòng), 使得閥桿1克服大彈簧1的作用向上運(yùn)動(dòng), 同時(shí)帶動(dòng)先導(dǎo)閥3向上運(yùn)動(dòng), 此時(shí)罐內(nèi)介質(zhì)通過(guò)先導(dǎo)閥與過(guò)流閥之間的空隙進(jìn)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(dāng)閥腔內(nèi)壓力與罐內(nèi)壓力平衡時(shí), 過(guò)流閥4在小彈簧5作用力下向上運(yùn)動(dòng)至完全打開(kāi), 此時(shí)再打開(kāi)球閥, 罐體可以正常裝卸介質(zhì)。當(dāng)發(fā)生連接接頭失效或裝卸軟管破裂時(shí), 造成流量突然增大, 當(dāng)流量超過(guò)額定流量時(shí), 主閥上下壓差大于小彈簧的彈力, 使主閥向下運(yùn)動(dòng)關(guān)閉, 介質(zhì)被切斷。

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

     根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30832-2014閥門(mén)流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法^[5]中流量系數(shù)K_v按下式 (1) 計(jì)算:

式中:

Q——測(cè)得的水流量, 單位為立方米每小時(shí) (m³/h) ;

△P_v——閥門(mén)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(shí)的水密度, 單位為千克每立方米 (kg/m³) 。

注:水在常溫時(shí), /₀的比值取1。

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

由式 (1) 可以得出閥門(mén)的凈差壓

     由緊急切斷閥工作原理可知, 其過(guò)流量切斷瞬間, 閥門(mén)前后凈差壓等于小彈簧彈力, 為固定值。由于緊急切斷閥過(guò)流試驗(yàn)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(guò)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(duì)過(guò)流切斷流量的影響。

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

      以某廠生產(chǎn)的型號(hào)為QGJ43F-25-7為例, 試驗(yàn)介質(zhì)為水, 壓力0.1MPa, 溫度為10℃, 過(guò)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(yīng)切斷流量和相對(duì)百分比如表 (2) 所示:

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

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

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

GB/T 22653-2008液化氣體設(shè)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(jì)算可知, 在過(guò)流切斷流量測(cè)量過(guò)程中, 介質(zhì)溫度、壓力對(duì)測(cè)量結(jié)果影響與其允許偏差相比可以忽略不計(jì)。因此在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22653-2 008過(guò)流性能試驗(yàn)中沒(méi)有規(guī)定介質(zhì)溫度與壓力。

粘度為試驗(yàn)介質(zhì)的主要特性之一, 流體的粘度只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯示出來(lái)。流體的粘度越大, 在相同速度下流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力越大, 或者說(shuō), 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(mén)前后壓力損失也越大。因此, 同一個(gè)緊急切斷閥, 利用不同介質(zhì)進(jìn)行過(guò)流切斷試驗(yàn)時(shí), 粘度系數(shù)越大, 其過(guò)流切斷流量越小。因此, 標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22653-2008^[2]中6.3.1中規(guī)定試驗(yàn)介質(zhì)為水、煤油或粘度不高于水的非腐蝕性液體。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22653-2008中6.3.2過(guò)流性能試驗(yàn)方法中規(guī)定, 試驗(yàn)過(guò)程中緊急切斷閥后部閥門(mén)開(kāi)啟速度應(yīng)緩慢且恒定, 其目的是在試驗(yàn)過(guò)程中得到穩(wěn)定的流量, 但在實(shí)際操作過(guò)程中不易實(shí)現(xiàn)。筆者在擠壓法中通過(guò)手動(dòng)控制閥門(mén)開(kāi)啟速度得到不同的過(guò)流切斷流量, 試驗(yàn)結(jié)果如下表 (5) 所示。

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

      由表 (5) 數(shù)據(jù)可以看出, 在相同初始?jí)毫?.0MPa下, 閥門(mén)不同開(kāi)啟時(shí)間下, 其切斷流量不同。閥門(mén)開(kāi)啟速度越小, 閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng), 流體加速度越小, 閥門(mén)前后壓差越小, 對(duì)過(guò)流切斷流量測(cè)試結(jié)果影響越小。因此, 閥門(mén)開(kāi)啟速度對(duì)過(guò)流切斷流量測(cè)試結(jié)果影響較大。擠壓法中可以通過(guò)電動(dòng)閥門(mén)設(shè)置開(kāi)啟速度, 水泵法可以通過(guò)設(shè)置水泵功率緩慢增加得到穩(wěn)定流量。

      罐體在正常裝卸過(guò)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(shí), 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(shí)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(guò)流切斷, 其在特殊情況下應(yīng)該在低于額定流量下切斷, 確保罐體的安全。

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

      (2) 通過(guò)計(jì)算分析溫度與壓力對(duì)流量測(cè)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(shè)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(duì)測(cè)量結(jié)果影響與其允許偏差相比可以忽略不計(jì)。而且標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22653-2008過(guò)流性能試驗(yàn)中沒(méi)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(guò)流切斷流量越小。因此, 標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22653-2008中6.3.1中規(guī)定試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)可以看出, 閥門(mén)開(kāi)啟速度越快, 流體加速度越大, 閥門(mén)前后壓差增大, 使閥門(mén)在較小流量下過(guò)流切斷。因此閥門(mén)開(kāi)啟速度對(duì)過(guò)流切斷流量結(jié)果影響較大, 因此建議擠壓法中利用電動(dòng)閥門(mén)設(shè)置開(kāi)啟速度, 水泵法通過(guò)設(shè)置水泵功率緩慢增加得到穩(wěn)定流量。