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阀门执行机构防水击装置研究

阀门执行机构防水击装置研究

在输油管线系统及炼油化工装置输送液体的管路中,当调节阀或开关阀突然开启或关闭时,可引起较强烈的水击,轻则引起管道的振动,重则造成设备的损坏。比如,在油库轻油灌装系统中,常因终端阀门关闭速度过快而出现这类问题。因此必须采取措施,防止水击危害。目前已有一些防水击装置可供选用,比如泄压阀、稳压罐等,但配备这些装置需要增加成本和维护工作量。如果能对现有阀门的执行机构作些改进,避免或减弱水击,一方面能从根源上解决问题,另一方面可降低防水击的成本。   

    1 阀门突然开闭原因

   输油管线中使用的气动薄膜调节阀、气动活塞开关阀和电磁开关阀,因能源中断、通气或通电及微分作用的影响,会出现迅速开闭。

    1.1 能源中断

   当由于某种原因使电源或气源突然中断时,一般的调节阀或开关阀因为没有自锁功能,会瞬时改变状态,即迅速全开或全关。

    1.2 活塞阀和电磁阀的动作

   活塞阀和电磁阀一般都是二位式,即使是正常动作,其迅速的开闭也不可避免。只要通气或通电,阀门瞬时间完成开闭状态的转换。

    1.3 微分作用的影响

   目前,在过程控制中使用了许多比例积分微分(PID)调节器,其输出与输入偏差的关系为 

    

    式中P--调节器输出
    kc--比例放大倍数
    e--输入偏差
    Td--微分常数
    Tt--积分常数

   微分作用对于快速消除干扰影响,尽快稳定系统是有益的。但是,当kc和Td都较大时,若遇稍大些的,则会产生较强烈的微分超调作用,使P迅速增大或减小(视e的符号而定),从而控制阀门瞬时全开或全关。

    2 阀门开闭产生的水击压头

    根据理论力学的动量定律推导可得到惯性水击压头与流速瞬变的关系

    

    式中ΔH--水击压头,m
    α--水击波速,m/s
    g--重力加速度,m/s2
    ΔV--流速变化,m/s
    哈立维尔水击波速的表达式如下

    

    式中E0--输送液体积弹性系数,MPa
    E--管材弹性模量,MPa
    D--平均管径,m
    b--管壁厚度,m
    p--输送液密度,kg/m3
    ψ--因数,由管道固定状态决定。

   如果突然开闭阀门,将导致流速变化量ΔV很大,产生的水击压头ΔH可能是原先管中液压的若干倍,所以突然开闭阀门是产生强烈水击的原因之一。

    3 分程缓开闭方法

   突然开闭阀门将引起流速瞬变。如果阀门缓慢开闭,从而使流速逐渐变化,那么产生的水击压头可以看成是一系列流速依次瞬间变化的水击压头的代数和,即

    

   流速逐渐变化产生的增压波是逐个发出的,后面的叠加在前面之上,管道沿线各截面处的压头逐渐增加,其减压波也是逐个返回,依次把原来增大了的压头减小。流速瞬变时,减压波来不及返回,产生直接水击。当流速缓变时,在液流中断前,部分减压波已返回,抵消了部分增压波,形成间接水击,其值低于直接水击。若能将流速变化降到适当值,就可以消除水击的危险性。

   根据分析,在阀门执行机构上增设一个阻尼机构,使之在接近关闭行程的最后20%范围内发挥作用,让阀门分程缓关闭。也就是说,在关阀行程的0~80%范围内,此阻尼机构不起作用,以保证阀门有良好的动作灵敏性,而在最后的20%关阀行程中分为2级阻尼,使之越到接近全关的位置,阻尼越强烈,消除了流速瞬变造成的水击危害根源,其中2级阻尼的强度可以用针阀调节,便于根据不同的阀门和过程对象,选择最佳阻尼,达到防水击的最好效果。

    4 实施方案

   用于石油化工行业的阀门及其执行机构的类型很多.比如气动薄膜式调节阀就有执行机构正作用式、反作用式和阀体正装式、反装式等多种组合。由于防水击阻尼机构必须在关阀行程的末端起作用,所以应根据组合情况装于执行机构的某个适当位置,其结构略有不同(图1)。

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   如图2所示,防水击装置的活塞固定在阀杆上并浸泡在阻尼液中,缸体上部直径大于下部直径。在调节阀行程的80%范围内,此阀杆的动作未受阻尼。当活塞移动到关闭方向的最后20%行程时,进入小直径段,必须将阻尼液从2个回流通道压出,活塞才能下移。阻尼液回流的速度可以用2个阻尼针阀调整,于是在关阀行程最后20%~15%间阀杆受到一级阻尼。在进入关阀行程的最后5%时,一级回流通道被封闭,剩余的阻尼液只能经二级回流通道回流,所以阀的移动速度进一步降低,缓慢完成最后的关闭行程。开阀行程与之相反。由于阻尼液的补充速度受限,在由关闭到开启5%的行程内阀杆的动作最慢,在其后15%行程内阻尼减小,动作加快,在后面的80%行程,不受阻尼影响。这样通过2级阻尼,达到使阀门分程缓开闭的效果。

   阻尼液可以采用变压器油、透平油或硅油等粘度适中,性能稳定,适用温度范围宽的液体。整个缓闭装置体积不大,可以安装在阀门的填料函上,装卸方便。为了防止沿阀杆填料渗漏出来的少量输送液污染阻尼液,设置了排放口。阻尼针阀上有锁紧装置,调好后可以锁定。活塞与缸体的配合面增加了一定的加工难度,但此结构并不需要太高的精度,即使活塞与缸体间有一定的泄漏时仍能保证足够的阻尼作用。

    5 结论

   将防水击装置安装到DN100mm气动薄膜调节阀上作了对比试验。试验结果表明,加装分程缓开闭装置的效果十分明显。在系统压力为0.5MPa时,不使用分程缓闭装置的调节阀,突然关阀时产生的水击压力峰值约为3.2MPa。使用了分程缓闭装置的调节阀,在同样条件的水击压力峰值为1.2MPa。在调节阀最后的5%关闭行程内,动态响应速度有所下降,但不影响工业生产的正常使用要求。

   综上所述,使用分程缓开闭装置改装而成的防水击阀门执行机构,能够在不影响阀门主行程灵敏性的前提下,阻尼关阀行程的最后部分,使直接水击变为间接水击.有效地减小了水击压头,对保证系统的安全运行有重要作用。该装置成本低,结构简单,便于安装使用,稍加修改设计,即可制成系列产品,适用于不同结构与不同尺寸的阀门执行机构。

 

 

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