双向高液位紧急切断阀设计技术研究

韩 凯，张起欣，张赞牢

(中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系， 重庆 401331)

双向高液位紧急切断阀设计技术研究

韩 凯，张起欣，张赞牢

(中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系， 重庆 401331)

由于受目前国内相关标准滞后和设备技术水平限制，国内运加油设备尚未配备带紧急切断功能的专用进出油阀门，大部分车辆未安装高液位保护装置(除飞机加油车以外)。针对这种现状，设计一种具备油料进出控制、紧急切断和高液位保护功能为一体的双向紧急切断高液位控制阀。该阀门的研制可以增加运加油装备的安全性，满足国家标准强制条款要求，填补该装置的国内研究空白。

紧急切断；高液位保护；阀体

Abstract: The current domestic standards lag and the technical level of equipment are limited, and domestic refueling equipment are not equipped with emergency cut off function and the temperature exceeded the emergency cut off function of the dedicated oil valve, and most vehicles were not equipped with a high level of protection devices (except aircraft refueling vehicles). Aiming at the present situation, we design one of the two-way emergency cut off the high level control valve with oil import control, emergency shut-off and high level protection functions. The development of the valve can greatly increase the safety of oil equipment, and meet the national standard requirements of mandatory provisions, and fill the blank of the device.

Keywords: emergency cut-off; high level protection; valve body

双向高液位紧急切断阀是一种安装于运加油装备油罐底部或尾部，作为油料进出油罐的主要通道的控制阀门。该阀是根据2012年我国颁布的《QCT 932-2012 道路运输液体危险货物罐式车辆紧急切断阀》[1]行业标准而提出的一种新型运加油车底阀，其研制可以解决运加油装备油料进出油罐分设2条独立通道、采用高液位控制阀与底阀分别控制导致的工艺流程复杂的问题。随着危化品运输相关标准的制定，双向高液位紧急切断阀的应用会越来越广，需求也将越来越大。

目前，国外为保障危化学品运输安全，制定了相应的法律、法规，并根据法规相关规定要求，开发研制了配套产品，同时颁布了相关标准。《EN 13308危险品运输槽罐车—槽罐车的辅助设备—非压力平衡底阀》和《EN 1316危险品运输槽罐车—槽罐车的辅助设备—压力平衡底阀》[2]等标准对相应产品的设计、制作、检验、试验等进行了规范。国外使用的底阀主要有压力平衡式和非压力平衡式2大类型，主要由阀体、驱动气缸、阀芯、易熔保护装置等组成，可利用气动、液压或机械方式控制其启闭。典型产品有ALFONS HAAR公司的DN80、DN100系列底阀、OPW的各类底阀系列。目前国内还没有具备油料进出控制、紧急切断和高液位保护功能于一体的双向紧急切断高液位控制阀，只具备功能单一的底阀和高液位控制阀。现将双向高液位紧急切断阀相关设计分析如下。

1 双向高液位紧急切断阀的一般设计要求

双向高液位紧急切断阀工作条件十分恶劣，其工作介质大部分为易燃易爆、腐蚀性较强的危化品，其使用过程中还要适应干旱、潮湿、高低温等恶劣环境。除此之外，双向高液位紧急切断阀还应具有良好的通用性，因此双向高液位紧急切断阀的设计、制造、检验与其他阀门有着较大的区别。根据阀门的相应工况，对设计主要提出以下要求。

1.1 作业功能

双向紧急切断高液位控制阀具备油料进出控制、高液位控制、紧急切断和超温自动关断控制功能，可气动或手动启闭。

1.2 主要技术指标

适用介质：汽油、柴油、煤油等轻质油品。

公称直径：DN65、DN80、DN100、DN150。

公称压力：1.0 MPa。

阀前压力0.5 MPa时对应最大流量：

50 m3/h、95 m3/h、150 m3/h、300 m3/h。

紧急切断阀开启气源压力：0.40～40.70 MPa。

高液位功能最小开启压力：≤0.08 MPa。

高液位功能阀门关闭时间：≤10 s。

紧急切断功能阀门关闭时间：≤2 s。

超温自动保护温度：75±5 ℃。

1.3 自然环境适应性要求

适应环境温度：-41～46 ℃。

抗盐雾腐蚀能力：能抵抗沿海地区使用中的盐雾腐蚀环境条件的有害影响。

抗淋雨能力：能耐受降雨强度6 mm/min、持续时间1 h的淋雨。

抗沙尘能力：设计上，应能降低我国戈壁沙漠地区沙尘吹袭环境条件的有害影响。

1.4 可靠性、维修性、标准化、安全性

可靠性：

25 000次无润滑状态下开启和关闭动作后，仍应具有良好的操作性和阀座密封性，经阀座密封性试验合格。

维修性：

1) 研制工作应遵循GJB368A—1998《装备维修性通用大纲》的有关规定。

2) 基层级平均修复时间≤30 min。

标准化：

1) 研制工作应遵循GJB1856A—2008《军事后勤装备研制及选型的标准化要求和审查》的有关规定。

2) 选装的机电设备，其型谱系列和性能符合相应国标及后勤装备统型要求。

3) 产品零部件标准化系数≥0.6。

安全性：

底阀组件上任何一个可能与危险介质接触的导电零部件与底阀本体之间的导静电电阻不得大于106 Ω[3]。

1.5 主要指标确定依据

1.5.1 公称直径确定

公称直径的确定主要依据我国运加油装备油罐进出油管道直径、油料装备通用技术条件和国家、军队相关油料安全罐装要求，同时为今后大流量加油装备研制预留发展空间。

硬质输油管线直径选取公称直径系列为10、20、25、32、40、50、65、80、100、150、200 mm，选取50、80、100、150 mm公称直径符合标准要求。

根据规定，汽车油罐车灌装最大流速不超过4.5 m/s[4]，计算各直径最大灌装流量如表1所示。

表1 各直径对应最大灌装流量

目前，我国现有装备最大灌装流量不超过150 m3/h，按确定直径系列，最大灌装流量为286 m3/h，满足要求。

因此，确定各种直径系列满足要求。

1.5.2 压力等级确定

目前我国现有装备配备最大扬程为飞机加油装备扬程，为120 m。按照输送航空煤油计算，压力0.96 MPa，压力等级确定1 MPa符合要求，同时也满足油料装备通用技术条件。

1.5.3 最大流量确定

工业和信息化部颁布的《QC/T—2012道路运输液体危险货物罐式车辆紧急切断阀》和欧盟《EN 13316:2002危险品运输槽罐车—槽罐车的辅助设备—压力平衡底阀》标准中规定，直径100 mm紧急切断阀在阀前压力为0.5 MPa时，最大流量不小于150 m3/h。其余口径最大流量可以参照以上2个标准通过核算流速计算得出。

1.5.4 紧急切断阀开启气源压力

紧急切断阀开启气源一般使用装备车辆底盘气源，装备车辆底盘气源额定压力为0.7 MPa。底盘气源低于0.6 MPa时，车辆不允许起步，因此确定紧急切断阀开启气源压力为0.4～0.7 MPa。

2 双向高液位紧急切断阀关键指标设计

在双向高液位紧急切断阀设计过程中，除了需要考虑双向高液位紧急切断阀的通用性、基本设计参数和设计规范等一般性要求外，还需要考虑一些其他指标，以便更好地对双向高液位紧急切断阀的技术水平进行评价。通常通过衡量阀门关键部位可承载强度是否合理来对双向高液位紧急切断阀的技术水平进行评价，其主要评价指标有以下几项。

2.1 阀体的设计与计算

2.1.1 确定阀体的材质

根据阀门的安装位置及工作介质的性质，阀体材质定为L104铸造铝合金。阀体的结构如图1所示。

图1 阀体结构

2.1.2 阀体的壁厚设计与计算

对于脆性材料做成的阀体，其壁厚按第一强度理论进行计算[5]：

(1)

式中：DN表示阀体中腔最大内径(mm)， 设计定DN=95 mm；p表示设计压力，取公称压力pN(MPa)，p=1.0 MPa；tB表示考虑附件腐蚀裕量后阀体壁厚(mm)；σL表示材料的许用拉应力(MPa)，σL=σb/nb；C表示腐蚀裕量(mm)。

2.2 阀体的设计与计算

2.2.1 确定阀体卸荷槽位置

设计卸荷槽的目的是当油罐车发生意外事故,安装在罐与管道间的阀门受到来自油罐巨大惯性力或外力作用时,考虑在阀体的适当部位断裂卸荷,以免拉裂油罐底部及阀门的密封部件,造成罐内油品外泄，使事故扩大化。根据结构设计，卸荷槽位于阀体上罐端连接法兰与阀体弯管交界处最为合理。

2.2.2 阀体卸荷槽结构

阀体卸荷槽结构如图2所示。

图2 阀体卸荷槽结构

从图2可以看出：Ⅰ-Ⅰ断面为本零件的危险端面，因为设计取S=5 mm

2.2.3 Ⅰ-Ⅰ断面破坏压力P的计算

根据薄膜理论，圆柱形的三向应力为：环向应力σt=pD/2S、轴向应力σz=pD/4S和径向应力σr=0。

根据第一强度理论(最大主应力理论)，当量应力为σ=σt，所以得：

σ=pD/2S

式中：D为中间面直径(mm)，D=DN+S，即：p=2Sσ/(DN+S)。

2.3 中口法兰强度计算

中口法兰的结构及受力分析如图3所示。法兰设计采用6个M8的螺栓，螺栓材料用1Cr18Ni9Ti钢[7]。

图3 阀体中口法兰的结构和受力

以下计算主要参照《阀门设计入门与精通》[6]所述内容，且按常温设计。

2.3.1 螺栓强度计算

螺栓的总计算载荷FLZ取(FYJ+XFG)与(FDF+FG)两者中较大值。

无介质压力时，为了使垫片屈服以产生紧密连接，所必须的预紧力(N)为

FYJ=πDDPbDSqYJ

(2)

式中：FYJ为预紧力(N)；DDP为垫片平均直径(mm)，设计取DDP=112 mm；bDS为垫片挤压的有效宽度(mm)；qYJ为预紧比压(MPa)，根据所选垫片材料而定；有介质压力时，垫片上必须的密封力(N)为

FDF=2πDDPbDSmDPp

式中：mDP为垫片系数。

螺栓工作载荷(N)为

(3)

(4)

其中，X为螺栓的外载荷系数。

螺栓的拉应力(MPa)为：

σL1=FLZ/AL≤[σL]1

式中：AL为螺栓总截面积(mm2)； [σL]1为螺栓材料在常温时的许用应力(MPa)。

2.3.2 法兰的强度计算

1) 法兰的轴向弯曲应力(MPa)为

(5)

式中：μ为应力校正系数；MZ为作用在法兰上的总弯矩(N·mm),按式(6)计算：

(6)

式中：FNJ为作用在法兰内径面积上的介质静压力(N)；按式(7)计算：

(7)

式中：FDJ为垫片处介质静止时受力(N)；FD为垫片载荷(N)；FFZ为关闭时，阀杆的总作用力(N)，本阀中FFZ=0。

2) 法兰的径向弯曲应力(MPa)为

(8)

3) 法兰的环向弯曲应力(MPa)为

(9)

以上3个弯曲应力必须满足：

σW1≤[σWJ]；σW2≤[σWP]；σW3≤[σWP]。

2.4 凸轮轴的强度校核

手动开启阀门时，凸轮轴受弯矩和扭矩的共同作用。凸轮轴的结构及受力图如图4所示。从图4可得：Ⅰ—Ⅰ断面为危险断面。

1) 危险断面的扭转剪切应力τn及弯曲应力σw计算：

(10)

式中：MF表示开阀时，作用于轴上的扭矩(N·mm)，按下式计算：

MF=FLfρ

式中：FL表示开阀时作用在凸轮上的力(N),即阀门开启力；f表示凸轮与阀杆之间的摩擦因数；ρ表示凸轮受力点距轴心的回转半径(mm),设计取ρ=10 mm；ws表示抗弯矩截面系数。

图4 凸轮轴的结构及受力

2) 强度校核

根据《机械设计手册》[8]得：弯扭联合作用时，合成正应力应满足第三强度理论：

(11)

式中： [σ]表示材料的许用应力(MPa)。

3 试验验证

为验证阀门紧急切断、高液位关阀功能和结构设计的合理性，对主阀进行功能性试验，测试主阀稳态工况下的性能、紧急切断和高液位关阀功能。设计试验流程如图5所示。

1.过滤器; 2.真空压力表; 3.离心泵; 4.压力表; 5.闸阀; 6.过滤器; 7.流量计; 8.调节阀; 9.压力表; 10.主阀; 11.压力表; 12.闸阀; 13.调节阀; 14.软管

图5 试验流程

进行该验证试验时，由于导阀还未生产，为模拟高液位关阀功能，在主阀上引出一支软管，外接到高压水源。打开软管上的阀门，模拟流道切换导阀打开，与设备高液位关阀功能在原理上相同。试验介质采用清水。

通过试验，当阀前压力达到0.09 MPa左右时，主阀能够依靠流体压力实现自动开阀，在稳态工况下工作稳定，并没有出现震动、噪声等情况，证明了主阀结构设计的合理性；打开软管上的阀门后，能够实现自动关阀，且关阀过程平稳，证明高液位自动关阀原理具有可行性；当环境温度超过75 ℃时(由易熔塞控制)阀门自动关闭，且反应迅速，阀门关闭平稳，证明了阀门的自动关阀功能可以实现。

4 结束语

双向紧急切断高液位控制阀可取代传统底阀和高液位控制阀2个阀门的作用，同时具备应急切断、环境温度超标自动关断、油罐高液位保护功能。该控制阀已经研制成功，目前正推广使用中。该阀的出现可提高我国运加油装备油料运输和装卸油安全性，降低由于油料外泄、冒油等引发的火灾、环境污染等事故，同时也提高了装备的维修性、可靠性和经济性。

[1] 房坤.道路运输液体危险货物罐式车辆用紧急切断阀的选型[J].专用汽车，2016(10)：109-111.

[2] NORWEGIAN STANDARDS.Norges Standar.Tanks For Transport Of Dangerous Goods-Service Equipment For Tanks-Pressure Balanced Foot valve[S].

[3] 中华人民共和国工业和信息化部.QC/T 932—2012,道路运输液体危险货物罐式车辆紧急切断阀[S].北京：中国计划出版社，2013.

[4] 中国石油化工集团公司.GB50074—2014,石油库设计规范[S].北京：中国计划出版社，2015.

[5] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2000：4-112.

[6] 张庆雅,杨光松,安联,等.火箭发动机法兰连接结构的受力与变形分析[J].弹箭与制导学报，2008，28(1)：153-156.

[7] 陆培文.阀门设计入门与精通[M].北京：机械工业出版社， 2009：310-335.

[8] 徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2000：4-74.

(责任编辑林 芳)

ResearchonDesignTechnologyofBidirectionalHighLevelEmergencyShut-offValve

HAN Kai， ZHANG Qixin， ZHANG Zanlao

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistics Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China )

2017-04-24

韩凯(1992—)，男，山东滨州人，硕士研究生，主要从事石油与天然气装备研究，E-mail：308597452@qq.com； 通讯作者 张起欣(1975—)，男，讲师，主要从事油气储运装备研究。

韩凯，张起欣，张赞牢.双向高液位紧急切断阀设计技术研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(9):73-78.

formatHAN Kai，ZHANG Qixin，ZHANG Zanlao.Research on Design Technology of Bidirectional High Level Emergency Shut-off Valve[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):73-78.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.012

TE976

A

1674-8425(2017)09-0073-06