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閘閥蝶閥排氣閥等排水閥門的特點分析

[ 2017-03-08 ]

在給排水工程中，中低壓閥門廣泛應用，特別低壓大口徑閥門（低壓閥門是指公稱壓力PN≤1.6MPa的閥門），而中壓閥門（PN2.5－6.4MPa）較少。而電動閘閥、電動蝶閥是最基本最廣泛應用的主導產品。
　　
　　電動閘閥的特點和現狀
　　
　　電動閘閥使用歷史最久，至今世界各國仍在應用，特別是DN300mm以下，在各類閥門中仍占主導地位。其特征是閥板前后壓差使閥板強制壓在出口右側的閥座上，密封性較好，且全開時，由于閥板不留在流路上，壓力損失小。用于切斷管道中介質。
　　
　　其缺點是操作力矩大，操作時易使閥體、閥桿損壞，特別是大口徑閘閥。外形尺寸和重量也大，DN1000口徑閘閥約3200mm高，需要四個人操作，所以閘閥一般使用在小口徑，即DN500以下使用。
　　
　　電動閘閥從全開到中間開度，閥門的流阻較小，接近全閉時，流阻急劇增加。較大的范圍內，流阻變化較小，在接近全閉時，流量變化較大，一定不要在閥門接近關閉時使用，這時很難進行流量的微調。閥門若開度極小，開口處的流速極快，會使閘板下側產生氣蝕，并伴有激烈的振動和噪聲，長時間節流運轉，往往會使閥體和閘板的金屬發生氣蝕。閘閥工況若處在中間開度，閥板因為是靠兩側的導軌支撐，全閉時配合緊密，而中間位置時，閥板與導軌間隙大而產生振動。因此鴻豐認為，即使在氣蝕發生率較低的區域，長時間使閥門節流運轉，導軌也會發生畸形、磨耗或損壞，且由于閥座不是全面接觸，而接觸部位表面壓力很高，往往會產生咬蝕或粘連，因此，不宜用于流量控制。還要注意，閘閥在小開度時，流量變化大，如果對閥門緊急啟閉，會造成壓力急劇上升或產生負壓，特別是關閥門時水錘的產生。
　　
　　在金屬密封閘閥基礎上，近些年來開發了橡膠軟密封電動閘閥，其特點是：
　　
　　（1）法體底部無凹處，流體通過截面呈直線狀，不易堆積和夾雜異物。
　　
　　（2）閘板密封面是壓在閥體上進行止水的，關閥力矩小。
　　
　　（3）不因配管的彎曲和拉伸而影響密封性能。
　　
　　（4）整個閥板襯橡膠，耐腐蝕，不出銹水。
　　
　　（5）閥門可在全開通水的同時更換密封材料和O型圈。
　　
　　（6）閘板互換性好。
　　
　　由于功能優越，鴻豐看到國際上（特別在歐洲）需求量速增，軟密封閘閥是30年前奧地利人發明，在歐洲每年生產50余萬臺，幾乎100％使用，是硬密封閘閥的替代產品，其制造口徑在歐日為DN500，美國一般用到DN400，而意大利可生產到DN1200。但也有不足，軟密封閘閥是靠對橡膠閥座進行壓縮密封的，是否關閉不好判斷，要避免關閥過緊，不要超過關閥扭矩為好（扭矩在標準上給出）。
　　
　　電動蝶閥的現狀和發展
　　
　　鴻豐記得上世紀三十年代，美國發明了蝶閥，上世紀七十年代傳入我國，開發使用。目前世界上一般在DN300mm以上蝶閥已逐漸代替了閘閥。蝶閥與閘閥相比有開閉時間短，操作力矩小，安裝空間小和重量輕等特點。以DN1000為例，蝶閥約2T，而閘閥約3.5T，且蝶閥易于各種驅動裝置組合，有良好的耐久性和可靠性。
　　
　　橡膠密封蝶閥缺點是作節流使用時，由于使用不當會產生氣蝕，使橡膠座剝落、損傷等情況發生。為此，上世紀七十到八十年代國際上又開發金屬密封蝶閥，耐氣蝕、壽命長，近幾年我國也開發了金屬密封蝶閥，但要注意，閥體、閥座和閥板。閥座的材質不適組合時，閥座間會產生熱咬合，又不能開閉的危險。在國外還開發耐氣蝕、低振動、低噪聲的梳齒形蝶閥。由于鑄造技術的提高，可使鑄鐵的閥體、閥板與不銹鋼閥座鑄在一起，致使閥座部分的構造簡單，導物不積留，耐久性、可靠性大大提高。一般密封座的壽命在正常情況下，橡膠15年以上，不銹鋼金屬約80年，綜合比較各異。但如何正確選用則要根據工況要求。蝶閥的開度與流量之間的關系，基本上呈線性比例變化。如果閥門處于節流幅度較大狀態，閥板的背面容易發生氣蝕，有損壞閥門的可能，一般均在15度以外使用。節流側閥門下面會產生負壓，往往會出現橡膠密封件脫落。蝶閥操作力矩，因開度及閥門啟閉方向不同其值各異，臥式蝶閥，特別是大口徑閥，由于水深，閥軸上、下水頭差所產生的力矩也不容忽視。另外，閥門進口側裝置彎頭時，形成偏流，力矩會有增加。
　　
　　排氣閥
　　
　　舊式雙孔排氣閥由于排氣能力小等原因，逐漸要被新型高速進排氣閥代替。判定排氣閥的性能高低除對閥門的一般要求外有三點至關重要：
　　
　　（1）在大多壓差下大孔口關閉。
　　
　　（2）管道中介質--水，沖上來時是否會把浮球壓住，孔口不能關閉。
　　
　　（3）在低壓時（0.02MPa）是否仍在密封不漏水。
　　
　　排氣閥口徑的選擇需要謹慎，特別管內產生負壓時，需要補充，使管內負壓不超過0.35kgf/cm2，否則管道會失穩破壞。
　　
　　停泵水錘防護專用閥門問題
　　
　　水錘種類
　　
　　水錘從不同角度，可分為四種。按關閥歷時與水錘相μ的關系分為直接水錘和間接水錘；按水錘成因的外部條件可分為啟動水水錘、關閥水錘和停泵水錘；按水錘水力特性可分為剛性水錘理論和彈性水錘理論兩種；按水錘波動的現象分為水柱連續現象和水柱分離的水錘現象兩種。
　　
　　根據調查統計，在城市給水和工業企業的給水泵站中，絕大部分水錘事故都屬與停泵水錘事故。水錘事故危害性很大，會導致管道和設備的驟然炸破。由于本文只論及停泵水錘的防護，所以水錘的理論問題另做探討。一般管道末端關閥水錘是先發生高壓，后發生低壓。泵站中停泵水錘的特點是先發生低壓后發生高壓，而且由于水泵電機旋轉部分有一定的轉動慣量，在停電后不是立即停止而是轉速逐漸降低，仍處于水泵的工作狀態，只不過揚程和水量都逐漸下降，當揚程降至與外部管道壓力，流量變為0以后水開始倒流，此時水泵仍在正轉受倒流水的作用，而轉速很快下降，此階段為制動階段，進一步當水泵轉速為0以后受倒流作用，推動水泵倒轉，而開始進入水輪機工作狀態，隨后壓力才逐漸升起。在整個低壓（或負壓）水錘波所延續的時間大于正常水錘波。低壓（或負壓）波時間，一般可由4、5秒到7、8秒。當水泵出口沒有止回閥時，停泵后水可以通過水泵大量倒流泄水，使正壓水錘壓力，有效地減小，因此在一定的情況下可以消除水錘，防止水錘事故，但不能消除拉斷水柱的水錘。當水泵出口裝有止回閥時或水泵出口閥提早關閉，在水倒流后水能沖擊止回閥迅速關閉，從而產生一個較大的關閥水錘，尤其當發生拉斷水柱水錘時，回流水柱碰到關閥的止回閥上，將產生極大的水錘壓力，這是我們主要的防護對象。停泵水錘防護專用閥門要適應這一過程的特點生產制造，而且在正常運行時水頭損失要小，安全可靠。若管道假設為剛體，水錘壓力式中g--重力加速度m/s；
　　
　　a--水錘波傳播速度，近似1000m/s；
　　
　　V--流速m/s；
　　
　　L--管道長度m。
　　
　　直接水錘多發生在管道較長，關閥速度較快時，所以關閥時間T的掌握非常重要，應滿足。
　　
　　閥門的氣蝕問題
　　
　　用氣蝕系數δ值，來選定用作控制流量時，選擇什么樣的閥門結構型式中H1--閥后（出口）壓力m；
　　
　　H2--大氣壓與其溫度相對應的飽和蒸氣壓力之差m；
　　
　　ΔP--閥門前后的壓差m；
　　
　　其余符號同前。
　　
　　各種閥門由于構造不同，因此，容許的氣蝕系數δ也不同。如計算的氣蝕系數大于容許氣蝕系數，則說明可用，不會發生氣蝕。如蝶閥容許氣蝕系數為2.5，則：
　　
　　如δ〉2.5，則不會發生氣蝕。
　　
　　當2.5〉δ〉1.5時，會發生輕微氣蝕。
　　
　　δ<1.5時，產生振動。
　　
　　δ<0.5的情況繼續使用時，則會損傷閥門和下游配管。
　　
　　閥門的衛生要求問題
　　
　　自來水管道、閥門的衛生、防疫要求十分重要，目前仍沒得到生產、施工、應用等各方面應有的重視，各種醫藥，食品現在加強了管理，但人們每天接觸最多的水卻很少有人問津，今后是我們應解決的一個重要問題。GB5749《生活飲用水衛生標準》和GB/T17219《生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準》要嚴格執行，必須有省級以上衛生防疫部門證明，浸泡試驗規定的21個項目和其他3個項目，涂料應進行21個規定項目和5個其它項目的衛生要求應進行試驗。原料達到食品級。
　　
　　閥門的防護問題
　　
　　鴻豐認為延長閥門壽命，保證閥門衛生要求，閥門金屬表面必須作涂裝，涂層厚度要保證，涂裝工藝必須做好涂裝前的金屬表面處理，達到級（近白級），且推薦熱噴涂。露天安裝的閥門外表面宜再涂層外面涂耐紫外線的丙烯酸涂料。
　　
　　不僅上述問題需要解決，還要優化流量系數，降低水頭損失系數，并要研究提高大范圍調壓、調流（消能）的專用閥門生產技術，如：針閥（活塞閥）、多孔閥、環噴閥（固定錐閥）、隔水有保證的導流防止器等，及進一步開發超大型蝶閥（DN3000以上）等等。

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