气动紧急切断阀紧急关闭防撞结构的研究

刘梦仙，李刚，李晓兰，张彬彬

(天津市华油汉威科技发展有限公司，天津 300074)

紧急切断阀[1]主要应用在主要原料的加工管路，高危险物料的加工处理管路及储存运输管路中。紧急切断阀包括阀体和执行机构两部分，执行机构通常由位于控制中心的计算机控制系统进行远程操作，也可以在现场操作，在火灾或者其他危险工况时，要求执行器能够快速响应并驱动阀门迅速关闭实现快速关闭，以减少物料的损失，或者避免高温高压及危险物料流散至空气中或者下游，造成人员伤害和经济损失。执行机构驱动阀门迅速关闭的过程中，阀芯与密封组件之间会由于快速关闭而产生非常大的冲击力，反作用于密封组件和阀芯，容易造成密封组件的损坏[2]，如果介质中含有颗粒物，密封组件的损坏概率会更大，从而影响阀门的密封性能，造成阀门泄漏。不仅给用户带来严重的经济损失，更可怕的是一旦阀门泄漏，危险物料会逸散到空气中威胁生命和环境安全。本文针对油气行业气动紧急切断阀的安全性提出了切断阀快关并缓慢闭合(简称为“快关慢合”)的概念[3]，并提供一种能实现切断阀“快关慢合”的设计方法，既能加快阀门的运动速度又能减轻驱动力，该方法在阀门接近关闭时能有效地减小驱动力，从而减弱驱动力对阀门密封组件寿命的影响程度，有效地增强阀门的安全性[4]。

1 切断阀实现“快关慢合”的技术和现状

气动执行机构分为单作用和双作用两种，不管是单作用还是双作用气动执行机构，要加快气动执行机构动作，通常的方法就是增大进气口和排气口的口径，来增大进气量和排气量[5]。

一种拨叉式单作用气动执行机构的控制原理[6]如图1所示，图1中Port1为单作用气动执行机构的进气口，Port2为其排气口，两位三通电磁换向阀通电后，压力气源经过过滤减压阀、电磁阀、快排阀后进入Port1，高压气体推动活塞向左运动，经由Port2、单向阀、消音器排气，气动执行机构排气口带动拨叉偏转，压紧弹簧腔内的弹簧，打开阀门。当电磁阀断电或者失气后，弹簧因处于压缩状态回弹，推动活塞和拨叉运动，经由Port1、快排阀、单向阀、消音器排气，关闭阀门。如上所述，为了使阀门能够快速关闭，采用增大进排气口口径和进排气管路管径方法，增大气动执行机构单位时间内的排气量[7]，从而加快气动执行机构内活塞和拨叉的运动速度，使得阀门阀芯快速关闭。

图1 拨叉式单作用气动执行机构的控制原理示意

2 切断阀紧急关闭防撞结构的设计

目前，虽然常用增加进气口和排气口口径的方法来加速气缸的动作实现快速关断阀门，但是该方法会使阀门在关闭的过程中承受很大的关闭扭矩[8]，该作用力对阀门内件的损坏比较严重，造成阀门泄漏，影响阀门的寿命和管路的安全性[9]。而且随着气缸弹簧的释放，阀门关闭过程中，关闭扭矩并不是一个定值。以气动偏心蝶阀为例，在气动执行机构弹簧释放的瞬间，关闭扭矩克服阀杆与轴套、填料之间以及蝶板与阀座之间的静摩擦力，作用于阀杆和蝶板，随着阀杆与蝶板的转动阀杆与阀座发生相对滑动，阻力减小，在蝶板即将关闭的瞬间，关闭扭矩作用于阀门的阀座和蝶板之间，使得蝶板和阀座之间产生很大的相互作用力[10]，严重影响蝶板和阀座的服役寿命。如果蝶板和阀座之间的介质中夹杂着颗粒物，颗粒物会严重损坏密封面，造成阀门泄漏，严重时会造成阀门密封失效[11]，这种损坏是突然的, 属于不可探测的危险失效[12]，很可能会给整个装置带来不可估量的损失。

为了避免出现上述不可探测的危险失效[13]，基于图1所示的控制方式，增加气动执行机构位置感应阀、减速阀和调速阀，得到“快关慢合”式单作用气动执行机构，控制原理如图2所示，当两位三通电磁换向阀通电时，气源经快排阀、Port1进气，气动执行机构活塞向左运动，阀门全开。当两位三通电磁换向阀断电或失气时，气动执行机构弹簧回弹，当活塞向右运行至某一位置时，气动执行机构内的拨叉关闭位置感应阀，位置感应阀的气路断开，减速阀失电，气动执行机构Port1，Port2与快排阀、调速阀导通，排气室内气压由原来的与大气导通，变为2个气缸室内气体气压平衡，排气室内阻力增大，活塞减速，所以在阀门关闭的瞬间力矩减小，从而减少了蝶阀蝶板和阀座之间的相互作用力，避免了这种不可探测的危险失效的发生。通过调节调速阀改变导通气流的速度，从而调节阀门关闭瞬间阻力的大小，改进后的阀门控制方案起到了提高阀门安全性的作用[14]。

图2 快关慢合式单作用气动执行机构的控制原理示意

3 应用案例分析

通过对试验装置的测试，得到阀门关闭过程中阀门的行程与时间的关系曲线如图3所示。图3中显示了阀关闭过程中阀门的行程随时间的变化情况，并与普通执行器进行对比，得到阀门关闭时间可以完全满足要求，而且在阀门关闭的瞬间阀门关闭速度变缓的结论，满足设计要求。

图3 阀门行程与时间的关系曲线示意

4 结束语

基于目前气动紧急切断阀现场应用现状，针对气动紧急切断阀的控制原理，提出切断阀“快关慢合”的概念，在原有气动紧急切断阀控制原理的基础上，提出切断阀“快关慢合”的设计方法，该方法既能提高切断阀的关闭速度[15]，又能提高阀门的使用寿命，更重要的是生产的安全性也得到了有力的保障，而且可以为用户提供更加安全和经济的生产条件[16]。