燃气调压器中滚动膜片的应用与设计简述

2017-01-20曾旭

中国设备工程 2017年8期

关键词：调压器阀杆膜片

曾旭

（广汉市城市燃气有限公司，四川广汉 618300）

燃气调压器中滚动膜片的应用与设计简述

曾旭

（广汉市城市燃气有限公司，四川广汉 618300）

滚动膜片是由橡胶材料制成，具有固定密封的功能，在燃气调压器中十分常见，为了尽量提升滚动膜片的密封性能，必须要对滚动膜片的设计制造相关的问题有充分的认识。本文结合D50直接作用式燃气调压器就滚动膜片的设计应用问题进行简单的分析总结。

燃气器；滚动膜片；设计应用

滚动膜片是一种比较常见的橡胶膜片，中低压调压器使用过程中经常会出现阀瓣不平衡的问题，为了解决这一问题改善调压器的性能，往往会安装滚动膜片，提升调压器进口及出口压差，本文简要的介绍滚动膜片的外形、特点、安装方法，重点介绍燃气器中滚动膜片的应用及设计过程，为有关人员的设计应用工作提供参考。

1 滚动膜片概述

滚动膜片主要是由橡胶材料制成的，自由状态下是一个礼帽的形状。橡胶膜片顶部中间有一个孔主要用于安装阀杆。实际的使用过程中，为了更好的固定及密封，滚动膜片的顶部及底部可以带一个O型的环边。

与波纹膜片、碟形膜片相比，滚动膜片的运动形成比较长，是它们的3～7倍，在直径、材质、厚度相同的情况下，滚动膜片的承压能力最好。滚动膜片运动行程之内，膜片的受压面积始终不变，阀瓣及阀杆获得的推拉力是稳定的；膜片在托盘外表面积套筒内壁的运动形式为滚动，因此摩擦阻力非常的小；滚动膜片使用过程中对介质的要求比较低，介质中存在杂质、微粒或者煤气焦油都不会影响到滚动膜片的功能；与活塞装置相比，滚动膜片对托盘外表面、套筒内壁的表面粗糙度、加工精度等要求较低；使用过程中如果阀杆或者托盘出现偏心或微小的偏移，膜片会自动找中对正；与活塞装置相比，滚动膜片能够承受的压差比较小，只允许单向受力。

滚动膜片安装过程中需要一些配套的装置，比如托盘，安装后在气体压力作用下套筒内壁与托盘之间变成一个圆弧，托盘运动时，该圆弧沿着托盘的外壁及套筒的内壁做无滑动的滚动。一般来说，滚动膜片主要有正向安装和反向安装两种安装方式。压力相对较高时大多采用正向安装的方法，安装过程中，滚动膜片的大开口部位向内翻折。压力相对较低时可以采用反向安装的方法，安装时滚动膜片的顶部圆弧角向内翻折。滚动膜片安装时要注意最大行程问题，它表示了托盘位移的最大距离，与调压器的阀杆及阀杆的运动行程是对应的。设计过程中必须要保证调压器的阀杆及阀杆的运动行程略小于滚动膜片的最大行程。

2 滚动膜片设计计算方法

（1）滚动膜片受力及有效面积。滚动膜片的受力面积主要由两部分组成，直径为d’的被膜片包裹的托盘的圆面积及D’和d’之间的环形的面积，托盘圆面积部分的受力为F1，环形部分的受力为F2，阀杆的推拉力为F，三者之间的关系为F=F1+F2，膜片厚度δ，托盘直径为d，套筒直径为D，D’=D-2δ，d’=d+-2δ。则P指的是作用在膜片受压面气体的压力，滚动膜片两面均有压力时，P表示的是两面的压差。环形部分受到气体的压力时会将这部分压力传递到托盘的边缘部分，推拉力F2最终传递到阀杆之上，环形部分受到的气体压力属于均布载荷，即为p，为了简化计算过程，使用集中力P代滚动膜片的受力面面积应该是有效面积的总和，记为当量面积A，

（2）滚动膜片设计。滚动膜片设计时需要综合考虑d'与D'尺寸，托盘高度Ht，膜片高度H及膜片厚度几个参数。X代表的是滚动宽度，滚动宽度较大时，膜片产生的推拉力较小，承压能力也会降低。但滚动宽度也不能太小，因为滚动膜片实际设计制造过程中，沿着托盘外表面及套筒内壁部分膜片上会有许多的褶皱，褶皱占用的空间大小会随着膜片厚度的增加而增加，如果滚动宽度较小，两层膜片的褶皱会相互摩擦影响膜片的正常滚动，因此需要合理的设计滚动宽度。一般来说，d’、D’、X设计时应该满足以下条件：（1）d’/ D’=0.8～0.9，（2）X=（8～12）δ。其中第一个条件主要用于计算，第二个条件则用于设计校核。托盘的及膜片高度可以用以下方法进行设计：Ht=L/2+R+c，H=L/2+3X+Rm+c，其中，L指的是阀瓣的行程，R指的是托盘的圆角半径，Rm指的是膜片的内圆角半径，c指的是富裕量。滚动膜片正向安装时，膜片底部直线段应该与托盘底部直线段（dm）相等，托盘的外轮廓要与膜片的内圆角相包容，因此R=Rm。滚动膜片反向安装时，膜片底部直线段同样要与托盘底部直线段（dm）相等，托盘圆角半径与膜片厚度之和要略小于膜片内弧圆角半径，即R+δ≤Rm。考虑到调压器的相关零件可能会存在较小的加工误差，导致滚动膜片设计位置与实际情况存在偏差，加上橡胶件硫化后会出现收缩的情况，因此，结合滚动膜片的大小，富裕量一般为2～8mm之间。膜片的内部夹有丝布，它是整个膜片的骨架，同时也能够增加膜片的强度。考虑到膜片的气密性问题，滚动膜片一般为橡胶材料制成，但橡胶的厚度会影响到膜片滚动的灵活度及气密性，因此实际的设计过程中要结合调压器的前压合理的设计橡胶膜片的厚度。比如，调压器前压小于0.8MPa时，根据膜片的形状大小，橡胶膜片的厚度可以设计在0.5～1.0mm之间。

3 实例分析

燃气调压器中滚动膜片设计主要分两步，第一步计算理论尺寸，第二步实践校验、调整。下文以一个D50直接作用式燃气调压器为例，分析滚动膜片设计的过程。该直接作用式燃气调压器阀座及阀瓣处于作答开度状态，滚动膜片采用反向安装的方式安装在对应的最低位置，阀杆的直径为16mm，阀座的直径为45mm，阀瓣的最大开度即行程为12mm。

（1）尺寸设计。首先需要根据上文所述的计算方法计算出滚动膜片的有效面积A’、确定套筒直径D、托盘直径d、D’、d’、滚动宽度X、托盘高度、富裕量、膜片内圆角半径、托盘圆角半径、托盘底部直线段大小、滚动膜片高度等相关参数。计算过程中膜片厚度取为0.5mm，设定d’=0.85D’，最终得出滚动膜片有效面积为1388.665mm²，D’为45.3mm，d’为38mm，套筒内孔径D为46mm，托盘直径d为37mm，滚动宽度X为4.5mm，X校核之后确实在（8～12）δ之间，托盘的高度为14mm，托盘圆角半径取为2mm，富裕量取2mm，滚动膜片的内圆角为2.5mm，托盘底部直线段长度dm为33mm，滚动膜片高度H为24mm。

（2）校验与调整。滚动膜片设计、制造的时候难免会出现一些误差，因此设计完成之后需要进行实践校验及调整，校验的主要内容包括滚动膜片的耐压性、气密性及滚动膜片是否能够精确的抵消阀瓣不平衡力作用。校验的主要步骤如下所示：首先，将燃气调压器安装在检测系统管道上，前压设定为调压器允许的压力下限，打开燃气调压器出口管道上的一个小阀门，并将出口压力调整为燃气调压器允许输出的某一个参数；其次，在保证出口压力不动、调压弹簧不能重新调节的条件下，逐渐提升燃气调压器前压，直到达到允许的压力上限为止，观察出口压力的变化情况下，在此过程中，出口压力随着前压的变化上升而变化，则说明滚动膜片的有效面积设计不合理，如果出口压力随着前压的上升而升高，说明滚动膜片的有效面积偏大，反之有效面积偏小，只有前压变化、出口压力不变时，才表明滚动膜片的有效面积合理。有效面积设计不合理则需要进行适当的调整。一般情况下，有效面积误差比较小，如果通过修改模具来改变有效面积比较麻烦，因此，通常情况下都是通过调整托盘直径及套筒内径的方法调整有效面积大小。经过多次校验后，燃气调压器的出口压力不再随着进口压力的变化而改变，校验工作完成。

（3）滚动膜片设计制造时应注意的问题。除了上述步骤之外，燃气调压器滚动膜片设计制造时还需要注意以下问题：为了防止滚动膜片翻折时断裂或者硫化时出现亏胶的问题，膜片拐角应为圆弧状，为了防止套筒内壁与端面交接处割裂滚动膜片，这两个部位同样应倒圆角；如果燃气介质为煤气，滚动膜片的材料可以选择氯醇橡胶，如果是LPG或者天然气，可以选择丁腈橡胶；滚动膜片内有弹性涤纶布夹层，观察膜片的内外表面，可以发现一面为光滑曲面另一面有网状夹布纹路，其中气体受压面为光滑面。为了尽可能提高滚动膜片的耐压强度，防止燃气泄漏，滚动膜片正向安装时，光滑面在内表面，反向安装时，光滑面在外表面。