二氧化碳灭火系统快速释放阀的设计与校核

2023-08-09王晓东

化工装备技术 2023年4期

关键词：形圈阀杆密封面

殳宏 * 王晓东

（1.浙江省特种设备科学研究院 2.浙江威能消防器材股份有限公司）

0 引言

二氧化碳灭火系统主要由气体灭火报警控制系统、火灾探测系统、灭火剂瓶组（含快速释放阀）、驱动瓶（含电磁阀）、选择阀、单向阀、气路控制阀、压力开关、管路等设备组成。二氧化碳灭火系统如图1 所示。

图1 二氧化碳灭火系统

快速释放阀装设在灭火剂瓶组上，属于包装容器的一部分，用来控制灭火剂瓶组的启闭，同时快速释放气瓶内介质，该阀操作装置由快速释放阀本身自带操作装置激活，也可由外接驱动装置激活。

1 结构原理

快速释放阀内部结构如图2 所示，采用杠杆、压紧式密封的结构形式，其密封完全依靠螺纹拧紧力并通过杠杆机构来实现。需要实现自动控制功能时，灭火报警控制系统发出灭火指令后，驱动瓶上的电磁阀开启驱动瓶，驱动瓶内的高压气进入驱动缸，驱动缸内活塞杆顶开摇臂，通过铰链机构推开驱动缸和连接叉，释放二氧化碳。为了在手动及应急状态时的操作，快速释放阀上设计了可移动式手柄安装孔，只要插入手柄、按下手柄即可释放出二氧化碳。在正常工作状态时，保险装置及手柄都处于移除状态[1-2]。

图2 快速释放阀内部结构图

其设计参数为：（1）使用温度为-40 / 60 ℃；（2）公称工作压力为15 MPa；（3）试验压力为22.5 MPa；（3）公称通径为12 mm；（4）主要材质为HPb59-1。

2 相关设计计算

2.1 壁厚校核

根据结确定，阀体的最大内径DN为20.5 mm，截面处外径DW为25.5 mm，此处为整个阀体最薄弱点，详见图3。

图3 阀体选定截面尺寸

TSG RF001—2009《气瓶附件安全技术监察规程》中的壁厚计算式如下，阀体设计壁厚不小于该式的计算值：

式中：S——阀体的计算壁厚，mm ；

p——设计压力，取公称工作压力，MPa；

DN——阀体最大内径，mm；

[σb] ——材料的许用抗拉应力，N/mm2。

设计安全系数为4，阀体材料选用HPb59-1 铅黄铜，其抗拉强度为390 N/mm2，则材料的许用抗拉应力 [σb] =390/4=97.5 N/mm2。

将阀体最大内径值为20.5 mm，公称工作压力为15 MPa，材料的许用抗拉应力为97.5 N/mm2，代入式（1）后可得到：

设计壁厚为截面处外径DW与最大内径DN差值的一半，即2.5 mm，大于计算壁厚1.47 mm，故安全。

2.2 强度校核

按第三强度理论对上述截面进行校核：

式中：σ1，σ3——分别为最大、最小主应力；

[σ] ——材料的许用抗拉应力。

经计算得出：

而材料的许用抗拉应力[σ]为97.5 N/mm2，故符合强度校核条件。

2.3 密封副校核

快速释放阀的阀座密封面采用凸台结构型式，为面接触，如图4 所示。对密封面宽度进行比压计算，验算的合格条件为：

图4 密封副示意图

式中：qMF——密封面上必须的比压；

[q] ——密封面的许用比压；

Q——验算的实际比压。

验算的实际比压可按下式计算：

式中：d——凸台密封面内径，mm；

Bm——凸台密封面宽度，mm；

QMZ——凸台密封面上的总作用力。

QMZ可按下式计算：

式中：QMF——密封面上达到必须比压时的作用力。

QMF可按下式计算：

式中：QMJ——作用在密封面上的介质静压力。

QMJ可按下式计算：

将阀体凸台密封面内径d为12 mm，密封面宽度bm为1 mm，铜合金的必须比压QMF为30 MPa 代入式（6）、式（7），经计算可得：

并将上述得出结果代入式（4）、式（5），计算后可得：

经查材料的许用比压[q]为80 MPa，验算的实际比压q为78.8 MPa，符合标准要求。

2.4 气瓶安全泄放量与泄压装置额定排放量

二氧化碳快速释放阀采用爆破片安全泄放装置，爆破片为一次性泄压装置，在额定温度条件下，爆破片两侧压力差达到额定值时，爆破片破裂，阀门安全泄压[3-4]。压力泄放装置如图5 所示。

图5 压力泄放装置

根据标准GB/T 33215—2016 《气瓶安全泄压装置》，盛装高压液化气体的气瓶，安全泄放量应不小于式（8）的计算值：

式中：p——泄放压力，MPa；

M——瓶内所装介质的摩尔质量，kg/kmol；

V——气瓶的容积，L。

根据GB/T 33215—2016 标准要求，爆破片的标定爆破压力(在15～60 ℃的室温下) 不应超过其设计爆破压力（水压试验压力），也不应小于设计爆破压力的 90%，因此选择22.5 MPa 为泄放压力。

瓶内介质为二氧化碳，摩尔质量为44 kg/kmol，气瓶的容积为80 L。

根据GB/T 33215—2016 标准，泄压装置的额定排量可按式（9）计算：

式中：C——气体的特性系数；

K——泄压装置的泄放系数，一般取0.6；

p——泄放压力，MPa；

A——爆破片的最小泄放面积，爆破片的最小泄放面积为保护主体内孔，取12.6 mm2；

M——瓶内所装介质的摩尔质量，kg/kmol；

Z——气体压缩因子；

T——泄放压力下介质的绝对温度，泄压装置的泄放温度为60 ℃。

查阅标准HG/T 20570.2—1995《安全阀的设置和选用》可得，二氧化碳气体的特征系数C为347；根据GB/T 33215—2016 标准中的简单气体的压缩系数图，查得二氧化碳气体的压缩因子Z取0.46。

将上述数据代入式（9），计算得出气瓶的泄压装置的额定排量为：

快速释放阀上装设的安全泄压装置的额定排量Wr为2 422 kg/h，大于气瓶的安全泄放量Ws（2 113 kg/h），满足泄放要求，符合设计要求。

2.5 密封设计

当快速释放阀处于开启状态，如图2 所示，阀杆总成被内部介质力上推至开启行程，灭火介质经阀座密封台阶、喷口及喷口外部所连接的管道泄放。开启状态时的密封为外部密封，主要有两部分，一部分在阀杆与压紧螺母之间、一部分在阀体与压紧螺母之间。两处均采用O 形圈密封。

当快速释放阀处于关闭状态，如图6 所示，其密封点位于阀杆与阀体之间，对于整个快速释放阀的密封来说，阀杆总成既起外部密封作用，如阀杆总成上端O 形圈部位，阀杆又起内部密封作用，如阀杆与阀体之间密封。

图6 内、外部密封点

2.5.1 外部密封点1设计

外部密封点1 在阀杆与压紧螺母之间，在开启过程中为动密封，开启后处于静止状态，为静密封。所以此处设计应将动密封与静密封相结合进行设计，根据标准GB/T 3452.3—2005《液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》，动密封O 形圈设计压缩率应控制在9.5%～25.5%，静密封设计压缩率应控制在13.5%～30.5%，二者取其重，则设计压缩率应控制在13.5%～25.5%。

因快速释放阀公称工作压力为15 MPa，属于高压情况下密封，且阀杆为动、静密封结合，为防止阀杆在动作过程中卡死，同时保证内部密封性，故阀杆外径尺寸小于阀杆孔内径0.2 mm，同时为了防止 O形圈发生“间隙咬伤”现象，需在阀杆槽内装设有挡圈，同时挡圈还有助于O 形圈保持良好的润滑。此处挡圈选用聚四氟乙烯（PTFE）。根据ISO 11114-2《气瓶和瓶阀材料与盛装气体的相容性第二部分：非金属材料》，查表得出PTFE 与二氧化碳兼容性为A，可接受；O 形圈选用EPDM，与二氧化碳兼容性为ASW，可接受，但是会有质量损失及溶胀现象。

当EPDM 与二氧化碳介质接触时，会吸收一定数量的二氧化碳。O 形圈沟槽的体积应能适应O 形圈溶胀以及由于温度升高而产生的O 形圈膨胀。密封槽设计宽度为2 mm。经计算得出O 形圈沟槽体积为79.31 mm3，O 形圈体积为60.84 mm3，根据标准GB/T 3452.3—2005，按15%溶胀计算得出，O 形圈溶胀后体积为67 mm3，比O 形圈沟槽体积小79.31 mm3，设计满足要求[5]。

2.5.2 外部密封点2设计

外部密封点2 在压紧螺母与阀体之间，该处O形圈装设在压紧螺母上，与阀体内孔配合密封，压紧螺母与阀体螺纹连接。密封结构类似于活塞杆静密封。压缩率应控制在13.5%～30.5%。

密封槽宽度设计为2.2 mm。经计算得出O 形圈沟槽体积为168.36 mm3，O 形圈体积为115.58 mm3，根据标准GB/T 3452.3—2005，按15%溶胀计算得出，O 形圈溶胀后体积为132.92 mm3，小于O 形圈沟槽体积168.36 mm3，设计满足要求。

2.5.3 内部密封点设计

内部密封性能直接决定快速释放阀的性能，此处需长时间保持密封，仅在突发火灾下打开。此处密封设计采用凸台密封，非金属与金属之间配合密封。快速释放阀的公称工作压力为15 MPa，所以提出了非金属材料必须有较高的硬度，抵御变形。经过对聚四氟乙烯（PTFE）、尼龙1010（PA）和三氟聚氯乙烯（PCTFE）进行硬度、介质相容性试验后可知，PCTFE 的硬度最大，PTFE 的硬度最小。根据ISO 11114-2 标准查表得出3 种材料与二氧化碳兼容性均为A，即可接受。由于硬度大、密封性强和使用寿命长的综合性能考量，选择其作为密封材料。

二氧化碳为低温介质，且快速释放阀在快速开启过程中所产生的冲击力对阀杆产生冲击，若密封垫收口处理不当，则密封垫会脱离密封槽，且密封垫长时间受处于压状态，阀杆密封槽周边容易开裂。故提出了对收口处理更高的要求。图7 为阀杆收口示意图。阀杆总成的加工工艺为：阀杆、密封垫车加工→装配O 形圈→装配密封垫→冲压收口→平密封端面。