一种防止阀门自关闭锁定装置的研究设计

顾祥武， 汤驰， 栾俊， 邹林峰， 郭文峰

（白鹤滩电厂筹建处 运行部，四川 凉山615400）

0 引言

阀门是在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的装置，是使配管和设备内的介质（液体、气体、粉末）流动或停止并能控制其流量的装置[1]。运行中的阀门是不允许有松动现象的。但在设备实际运行过程中，一些供水、供油管路上的小型控制阀由于自身结构特点，安装在一些大流量、高压力、振动剧烈的管道上时，多次出现阀门自关闭或自开启的现象，给设备的运行带来了较大的安全隐患。根据调研，很多安装在管路上用于流量及压力控制的阀门处在全开至全关之间的某一位置，此类阀门出现自关闭或自开启的频率非常高。而调研的这些大型水力发电厂设备上供油、供水管道上出现过自关闭或自开启现象的阀门，目前并没有较好的解决办法。

本文提出一种防止阀门自关闭锁定装置的设计思路，详细阐述了锁定装置的制动原理、组成结构、操作方法，为这些大型水电站解决阀门在运行中的自关闭现象提供了一种参考。同时也通过自主创新，研制出一种防止阀门自关闭的锁定装置，对阀门可靠性方面的提升有一定促进作用。

1 案例分析

某大型电厂在设备实际运行过程中，曾出现过多台机组纯水系统离子交换器回路流量过低报警情况，经检查均为纯水系统运行过程中由于振动造成离子交换回路流量控制针型阀自行关闭，从而导致管路流量降低、离子交换较少、定子线棒导电率升高的不安全事件。而该电厂目前所采取的临时措施（采用铁丝或者扎带对阀盘进行绑扎）效果均不理想。调研中还发现，该电厂调速器液压系统集油槽冷却器进油蝶阀也出现过几次自关闭现象，最终导致集油槽油温快速升高的不安全事件。某大型水电厂纯水流量控制针型阀如图1所示。

通过对此类发生过自关闭阀门的结构及工作原理分析知，造成阀门自关闭的原因是这些阀门在实际运行中的开度一般都在中间开度，当流体在通过塞体时产生的涡流对塞体的作用力大于操作机构的制动力时，导致阀门自关闭或自开启。此类阀门一旦安装在一些容易振动的管路上时，管路的长期振动必然会造成阀门的阀体出现松动，从而导致阀门本身的制动力进一步减小，大大增加了阀门自关闭的风险。由于阀门自关闭现象都是出现在已投运的设备上，如果对此类阀门进行换型改造，一是设备运行方式不允许，二是实施成本及工作量较大。

图1 某大型水电厂纯水流量控制针型阀

目前，通过对某公司管辖的几个大型水力发电厂设备管道上的一些小管径阀门统计分析发现，这些小管径阀门大多没有设置阀门限制装置。使用没有限制装置的阀门，一旦安装在一些大流量、高压力、振动剧烈的管道上时，大都会出现阀门自关或自开现象。为应对此问题，需要在阀门操作机构上安装限制装置，本文拟研究设计出一套防止阀门自关的锁定装置，用于解决设备运行过程中阀门自关闭问题。

2 研究方向

锁定装置研究设计目的是解决设备实际运行中阀门自关闭问题，是以问题为导向而进行的研究设计工作，故前期做了大量的调研、资料收集、原理分析设计等工作。

以图1中的纯水流量控制针型阀作为研究对象，对该阀门的型号、结构、尺寸等进行研究设计，拟研究设计出一套防止阀门自关闭的锁定装置，装置能实现以下功能：1）阀门正常时在关方向制动，开方向有一定制动力，解开装置后，阀门可以自由开关。2）对当前没有设置防自关闭功能的阀门，只需拆除原阀门的阀盘，将本装置安装上即可解决其自关闭问题，不会对整个阀门的本体结构产生不利影响。3）通用性高，易于推广。装置的研究设计可依托现有阀门结构进行设计、制造及组装，研制成果同样适用于阀门防自开功能，且可推广至存在自关闭或自开启的各种阀门。4）结构简单、制造成本低。锁定装置应易于操作，且装置总成本费用应远小于采购一个新阀门的成本价格。

3 锁定装置设计

3.1 原理分析及计算

管道上阀门出现自关闭现象主要是通过阀门的介质所形成的涡流作用在阀芯上的转矩大于阀门的制动转矩，尤其是阀芯处于半开状态时，介质所产生的涡流反复作用于阀芯，直至造成阀门自关闭。

介质流过阀芯的涡流需依据阀门的具体结构进行分析，如蝶阀，介质流过蝶盘时在蝶盘后产生涡流，但蝶盘两侧的涡流是不平衡的，于是会在蝶盘上产生转矩，转矩的计算也是相当复杂的。阀门的操作转矩随着阀芯与阀座的摩擦、阀轴与填料的摩擦及介质对阀芯的推力压紧程度的不同而改变，只能用仪表测量。而介质对阀芯的推力，则可以通过公式计算得出。

介质对阀芯产生推力，阀门的阀芯必会产生一个反向转矩，这个反向转矩是文中锁定装置研究设计需参考的重要参数，反向转矩也称为阀门的制动力矩，可通过下面公式进行计算：

式中：A为阀门口径面积；P为所承受的压力（即阀门工作压力）得出轴所承受的静压力；μ为摩擦因数（一般钢铁间的摩擦因数取0.1，钢对橡胶的摩擦因数取0.15）；d为轴径。如果是电动操作机构，制动力矩需乘以1.2～1.5倍的安全系数。

以图1中阀门为例进行计算，测得阀门的过流直径为25 mm，阀门公称压力为10 MPa，阀轴直径为10 mm，计算得到阀门的转矩为74 N·m。乘以安全系数1.5后得到阀门最大转矩为111 N·m。考虑到止动装置最关键的止动阀盘是铸造的，加上正常人手力所能达到的范围是60～120 N，所以止动装置的弹簧是不能超过这个值的，所以选择止动装置最大转矩为200 N·m。

3.2 结构设计

锁定装置既可适用于新阀门的设计制造上，也可用在现有未设置防自关闭的阀门上。锁定装置整体设计图如图2所示, 锁定装置主要部件组装模型三维图如图3所示，示意图如图4所示。

图2 锁定装置整体设计图

图3 模型三维图

图4 装置组装示意图

装置包括与阀门本体连接的底座，底座上侧设有第一限位销，底座上方设有两个阀盘，两个阀盘的相对侧设有相互啮合的轮齿，阀盘上设有卡槽，第一限位销插装在下侧的阀盘的卡槽内，底座和下侧的阀盘之间设有弹簧，底座及阀盘上设有供阀杆穿过的通孔，上侧的阀盘上侧设有连接件，连接件侧部设有与上侧的阀盘的卡槽相配合的第二限位销，连接件中心设有与阀杆上端配合的多边形孔。

4 实现原理

如图2所示，阀门本体1通过自身结构设计的销与阀盘1自身的卡槽进行连接，阀盘1与阀盘2通过齿轮啮合，弹簧7用于复位与制动功能，底座5用于支撑。装置实现原理如下。

1）拆除原阀门的阀盘，将本锁定装置套入原阀盘的阀杆（针对现有阀门的改造）。

2）阀门使用状态，在弹簧7的作用下，下侧的阀盘4和底座2之间不接触，两个阀盘4的轮齿相啮合，通过底座2与下侧的阀盘4的卡合、两个阀盘4之间的啮合及上侧的阀盘4与连接件9的卡合实现对阀杆8转动的限制，实现锁定。

3）当需要进行阀门调节时，向下按压下侧的阀盘4，上、下侧阀盘4分离，转动连接件9，将阀门设置到合适的开度。调节完成后，松开下侧的阀盘4，在弹簧7的作用下，下侧的阀盘4向上移动，两个阀盘4重新啮合，进入锁定状态。

5 结论

锁定装置是基于前期充分调研的基础上，为解决生产实际中阀门自关闭问题所进行的一项研究设计工作。本文对锁定装置的设计原理、组成结构、实现功能进行了详细的阐述，为锁定装置的加工制作提供了一套完整的方案。总体来说，装置具有以下优点。

1）结构简单、制造成本低。锁定装置由阀盘连接件、弹簧、阀盘、底座等部件组成，结构简单，加工及组装容易。

2）易操作、可靠性高。锁定装置通过齿轮结构实现阀门在关方向可靠制动，解开装置后，阀门可以自由开关。

3）通用性高。锁定装置的研制成果可依据现有阀门结构进行灵活设计、制造及组装，通用性高。

4）应用空间广泛。可普遍应用于水轮发电机组管道上的各种小型阀门，存在自开启问题的阀门同样适用。

锁定装置已在白鹤滩水力发电厂筹建处工区供水管道上使用，使用过程中对阀门的开度位置进行了调节试验，运行中未出现过阀门自关闭和自开启现象，使用效果良好。锁定装置提高了机组辅助设备关键阀门的可靠性，减少机组非停率。以白鹤滩电厂因设备可靠性一年损失单机1 h电量（106kW·h）和水电厂平均上网电价0.246元计算，扣除电力增值税17%后，每度电净收入为0.21元，共计节约21万元。