浅析金属密封轨道球阀在消防系统中使用的可靠性

马 磊

（新疆克拉玛依市新疆油田分公司应急抢险救援中心，新疆 克拉玛依 834000）

油气站库消防系统控制阀门多为蝶阀、闸阀、球阀。经过历年对油气站库消防专项检查发现，此类阀门普遍存在使用周期短，易发生内漏，并在带压情况下不易开启。在某年消防专项检查中，某作业区油气站库35.2%消防控制阀门因使用年限较长、水质等原因导致阀门关闭不严（阀门主要以蝶阀为主）发生内漏，造成系统泄压，泡沫混合液强度和冷却水强度不能满足灭火要求。因此，本文从轨道球阀使用可靠性、操作便捷性及使用力矩计算三方面阐述轨道球阀的可靠性。

1 消防系统常用控制阀门介绍

1.1 闸阀

闸阀一般由手轮、阀体、阀座、阀杆、闸板密封圈等部分组成，闸阀的启闭件为闸板，闸板的运动方向与流体方向相垂直，闸阀在油气站库消防系统中主要使用在管径较大的系统主管路中，用作全开全关的作用。其次闸阀靠螺杆机械传递启闭，启闭行程大，时间长，启闭需力矩较大。在实际演练中闸阀常常需带压开启关闭，消防岗操作人员需频繁操作闸阀开启和关闭来调节进出口压力，操作过程中耗时耗力，如岗位员工为女工，操作难度将加大。三由于闸阀安装在较大管径的管路中，介质流量压力较大，如当闸阀处于半开位置时，闸板会受流体冲蚀和冲击而使密封面寿面缩短，还会产生振动和噪声。

图1 蝶阀腐蚀

1.2 蝶阀

蝶阀主要由阀体、阀杆、蝶板和密封圈等部分组成。在油气站库消防系统中使用较多，其优点主要有：一是启闭省力、迅速，阻力小，重复操作率高；二是阀门在不带压情况下启闭力矩较小，全开时流体阻力较小。二是密封面材料一般采用橡胶、塑料材料，受天气温度、水质等因素影响密封性能。三是在消防系统运行过程中，蝶阀开启需较大的力矩。

1.3 轨道球阀

轨道球阀与球阀组成结构类似，一般由执行机构、阀体、阀杆、球体、密封结构等部分组成。轨道球阀不同的是在阀杆上有轨道，用于球体在开启关闭的时候球体上下运动实现零摩擦运动。

1.4 工作原理

开启过程：

（1）阀芯在关闭位置，阀杆（铜色）机械施压阀芯（黄色）挤压阀座（橙色）。

（2）当开启转动手轮时，阀杆向上带动角形平面使阀芯偏离阀座。

图2 转动手轮后阀门偏离阀座分析图

（3）阀杆提升与阀杆导销作用，开始无摩擦旋转阀芯。

（4）全开时，阀杆到极限位置，阀芯全开通。

图3 阀杆中阀门开通过程

关闭过程：

（1）关阀时转动手轮。阀杆下降带动阀芯旋转。

（2）继续转动，阀杆与导销相互作用，阀杆带动阀芯旋转90°。

图4 阀杆带动阀门旋转90o后结构图

（3）阀芯处于阀座无接触情况并旋转90°。

（4）手轮转到最后，角形平面机械地楔压迫球芯，使其关闭。

图5 角形平面机械地楔压迫球芯

优点：一是开关无磨损。球芯偏离阀座后在转动消除了阀座的摩擦，解决了摩擦损耗问题。二是低扭矩操作。球阀开启只需用手轮转动即可（大口径球阀需配备齿轮箱，开启同样较省力）。因球面截断阀密封面无摩擦，转动较容易，需扭力较小。三是以保证阀门具有长期的、持续的紧密密封特性。

图6 阀门实际开启操作过程

2 轨道球阀使用力矩计算

轨道球阀与一般球阀不同，它由密封球面S1和支撑结构球面S2两个球面及一个垂直撬杆孔D组成。球体中心线与阀座中心线重合，球体在阀体内滚动时中心高度不变，以实现两者接触密封线为圆线。

2.1 球体

图7 合阀杆完成球体的结构

阀门关闭时球体受力分析为：∑X=0。

式中：Fj—作用在球体上的介质力，N。Fm—密封力，N。Fb—关闭时阀杆对球体的作用力，N。fm—密封面之间的摩擦力，N。fb—阀杆球体间的摩擦力，N。

阀门开启时，球体受力：

式中：F'b-----开启时阀杆对球体的作用力，N。f'm-----开启时密封力之间的摩擦力，N。

计算表明，密封面静摩擦系数的重要因素为法向压力与静止时间。

2.2 阀杆

图8 阀杆功能具体结构

阀杆有A、B、C、D功能段。A为直线运动控制段，B为旋转运动控制段，C为球体松压段，D为球体旋转段。

阀门关闭时，阀杆受力：

式中F—关闭时手轮作用于阀杆的垂直分力，N。ft—填料摩擦力，N。fz—阀杆与阀盖支撑处摩擦力，N。

阀门开启时，阀杆受力：

式中：F’—开启时手轮作用于阀杆的垂直分力，N。

将式(1)和式(2)的计算结果分别代入式(3)和式(4)，可求出相应的F和F′。

2.3 手轮和阀杆组成的平衡系统

平衡系统上的主动力(矩)为作用于手轮上的力偶(Fs/2，F‘s/2)，阀杆梯形螺纹处的摩擦力矩M1，球体对阀杆的反力Fb(F’b)，阀杆与球体间的摩擦力fb，阀杆与填料间摩擦力ft和阀杆与阀盖支承间的摩擦力fz。

关闭时：

开启时：

式中：Fs—作用在手轮上的圆周力，N、Fs≤750N、Ds—手轮直径，mm、由机构的传动关系知，对于单头螺纹，手轮转动一圈，螺杆上升或下降一个螺距(p)，故有：

式中p—阀杆梯形螺纹螺距，mm

将式(7)代入式(5)和式(6)中即可得出关闭时所需的手轮驱动力Fs和开启时所需的手轮驱动力F‘s。

若忽略各种摩擦力(矩)，则机构力的放大倍数为：

例如Q41GD-160-100型轨道球阀，sinФ=4/11，Ds=450mm，P=6mm则：

一般固定式球阀的阀杆力矩计算公式为：

从计算结果可以得出，轨道球阀还具有启闭省力之优点。

3 结语

轨道球阀采用简单、有效的运动方式协调控制密封接触面的分离、旋转与压紧，实现了阀门开关过程无摩擦，零泄漏，操作低扭矩。建议在油气站库消防系统改造时采用此类阀门。