陈敬秒，王一翔
(浙江省泵阀产品质量检验中心，浙江永嘉 325105)
摘要：文中通过优化工作原理，研制了阀门带压启闭寿命试验装置。该装置采用高低压双模供水方式、数字化闭环控制系统等，提高了检测精度和工作效率。利用该装置进行阀门带压启闭寿命试验，通过试验分析了阀门部件结构的工艺技术要求。
关键词：阀门；带压启闭；寿命试验
TSG D7002-2006《压力管道元件型式试验规则》、JB/T 8858-2004《闸阀静压寿命试验规程》等标准明确了相关阀门的带压启闭寿命试验项目要求。TSG D7002-2006[1]要求阀门在带压循环操作启闭20次后，应能正常操作、无卡阻等现象，同时符合密封性能要求，阀杆填料能保持密封，阀杆、阀杆螺母等零件没有明确的磨损。应对阀门的阀杆螺母、阀杆、填料、启闭件密封面、阀座密封面等多处关键部位进行综合性能参数试验分析，更真实模拟阀门使用工况，优化阀门结构设计计算，材料、驱动器选型。一些企业在进行带压启闭寿命试验时常采用人工扭矩扳手操作的方式，劳动强度大、施力大小和速度不平稳，如进行几千次循环试验，试验次数就很难保证，高压力大口径的阀门就无法进行试验，使阀门带压启闭寿命试验停留在理论阶段，零部件的磨耗疲劳不能进行有效的试验和分析。
1—增压供油止回阀；2—增压抽油止回阀；3—压紧机构换向阀；4—压紧油压表；5—压紧机构；6—阀门试样；7—阀前压力表；8—扭矩传感器；9—驱动装置；10—角度编码器；11—高压止回阀；12—阀前电磁阀；13—供水压力表；14—蓄能器；15—低压止回阀；16—低压注水泵；17—阀后电磁阀；18—高压注水泵；19—蓄水池；20—阀后压力表；21—供油压力表；22—驱动装置换向阀；23—油泵；24—油箱；25—增压换向阀；26—增压油缸
图1 阀门带压启闭寿命试验装置
2.1 装置工作原理
为了完善试验项目和提升检测能力，研制阀门带压启闭寿命试验装置(图1)。在研究阀门压力试验机和扭矩试验机的工作原理和应用特点的基础上，整合阀门的扭矩试验、压力性能试验、带压启闭寿命试验项目，该装置由高低压供水系统、管路控制系统、电气控制系统、扭矩驱动控制部分、角度驱动控制部分等组成[2]。
2.2 防护装置
阀门带压启闭寿命试验是一个长时间的持续磨损压力试验过程，阀门两侧密封面一直受高压顶压压紧，而且供压系统采用水气混合的蓄能器，因此试验过程中要做好安全防护措施，比如压紧机构的螺纹杆、法兰盲板设计要严格计算校核，同时在压力管道系统安装安全阀起到泄压保护作用，并且试验台要设有安全防护装置。
2.3 高低压供水系统
高低压供水系统由压力变送器进行动态监控，采用水气混合的蓄能器供水方式，利用气体可压缩膨胀系数大的特点，使蓄能器内部可以蓄积一定压力的水，减小了注水泵的频繁启闭，同时在进水管路为阀门提供比较稳定的压力输入，并且有利于阀前水压控制表的数据反馈控制，如果阀前的供水管路不设置蓄能器，由于水的可压缩性小，会导致压力上升速度很快，不利于阀门试样及供水管路的稳定性，阀前水压控制表反馈的数据波动非常大，难以控制。
2.4 轴向压紧油缸
阀门试样通过左向的压紧机构安装于试验装置上，考虑到不同口径和不同压力的阀门结构长度不一样，轴向压紧油缸可往复移动来满足不同结构长度的要求，可装卸的不同口径尺寸左右法兰盲板满足不同阀门法兰的尺寸要求，并且液压油缸的夹持力可以根据不同阀门口径和不同压力的大小，通过增压油缸进行调整选择，当阀门的公称压力比较高或者公称通径比较大，油缸提供的液压不足以压紧法兰密封面，此时通过增压油缸管路，使液压系统内部的油压增大，实现了在不同通径和不同压力下,进行阀门密封试验和强度试验。
2.5 数字化闭环控制系统
管道压力和扭矩驱动力都采用数字化闭环控制系统控制，测量准确度比开环控制检测方法进一步提高，提高系统的精度、稳定性及检测效率。试验管道压力控制系统原理见图2，考虑到有些阀门的公称压力比较低(0.25、0.60、1.0、1.6 MPa)，试验时由低压注水泵开始，一般低压注水泵的设计出口压力为1.80 MPa，所以设置低压调压阀用于调节低压注水泵的出口压力，在水压控制表设置好出口压力值，当注水管路的压力达到设定值时，管道压力反馈信号由水压控制表进行反馈，水压控制表采用电流反馈信号，提高系统的抗干扰性，同人机控制界面设定值共同输入调节器，由调节器控制和调整输出的控制指令，低压注水泵停止运行。如果管道压力达不到试验要求的高压力值(2.5～25.0 MPa)，双向液压水泵继续给供水管路增压，当水压控制表感应到压力达到设定值时，通过信号反馈于双向液压注水泵停止注水动作，使供水管路压力达到试验要求值。
图2 试验管道压力控制系统原理图
阀门样品扭矩驱动控制系统(原理图见图3)，由液压马达驱动阀门进行带压状态下的启闭动作，驱动扭矩反馈信号由动态扭矩传感器进行反馈，同人机控制界面设定值共同输入调节器，由调节器控制和调整输出的控制指令，传达至液压马达，最终使驱动力稳定在设定的扭矩要求值，进行带压启闭操作性能试验。
图3 阀门样品扭矩驱动控制系统原理图
2.6 驱动控制模块
驱动控制模块由液压马达回转驱动,并采用扭矩感应和角度感应控制，实现了对阀门带压启闭寿命试验动态监控，检测精度高、稳定性好，提高了检测效率，满足TSG D7002-2006等要求。
阀门样品口径覆盖范围≤DN300；阀门样品压力覆盖范围≤PN250；试验介质：煤油，水(防腐水)；顶压轴向开档范围≤1 200 mm；试验次数设定：0～99 999；保压试验时间设定：0～999 s；控制系统：数字化闭环控制；试验温度：0～38 ℃；启闭扭矩：0～10 000 N·m；启闭速率0～10 r/min。
进行阀门带压启闭寿命试验前，由于蓄能器和阀门的体腔容积比较大，先用低压注水泵通过止回阀向供水管路及阀门体腔注水，可以减少试验时间和双向液压水泵的工作负荷，阀门样品缓缓关闭，保证阀门腔体和供水管道都充满介质，且达到标准规定额定压力值。
进行阀门带压启闭寿命试验的开启操作时，阀门进口端保持最大允许工作压力，当阀门规定有额定压差时，试验压力为该阀门的额定压差，在进口水压控制表显示即时的阀前压力值，也可通过用户界面观察压力值。根据TSG D7002-2006的试验步骤规定，液压马达驱动阀门进行带压状态下的开启动作，此时可在用户界面观察到阀门带压开启的扭矩值。试验采集的操作扭矩值，除平面密封的平板闸阀外，密封试验时可以保持密封性能的情况下手动操作测量得到的最大启闭操作扭矩为准，手动操作的扭矩不得超过一人用阀门所配带的驱动手轮所能产生的扭矩或产品标准规定的操作扭矩；平面密封的平板闸阀的操作扭矩，以带压开启时的操作扭矩为准。关闭操作时，出口泄压电磁阀封闭，泵向供水管路及阀门体腔注水，保证其内部有90%～100%的开启操作时的试验压力，驱动机构的试验操作扭矩重复偏差应小于±5%。根据以上要求，当控制系统感应到带压启闭扭矩超过标准规定的要求值时，系统便自动停止工作，可判定阀门的带压启闭寿命试验性能的次数，不同口径的阀门启闭试验次数应符合表1要求。
表1 带压连续启闭操作性能试验次数
公称尺寸DN试验次数≤100≥3000150～400≥2000≥450≥1000
通过试验结果分析阀门的阀杆-阀杆螺母连接副、阀杆表面、填料密封、启闭件-阀座密封副等部件结构比较容易出现磨损和失效，导致阀门启闭不灵活，填料处出现水滴渗漏，阀座密封无法保压等现象，阀门生产企业应通过优化结构、材质和加工精度保证阀门带压启闭寿命性能要求，因此在阀门制造过程应注意以下技术要求[3-4]。表2为部件结构技术要求。
表2 部件结构技术要求
部件结构技术要求阀杆应采用具有抗腐蚀性能的不锈钢材质，整体锻打工艺制造，不允许采用组合焊接方式；阀杆-阀杆螺母连接副阀杆螺母采用含镍抗腐蚀球墨铸铁或铝青铜材质，降低阀门启闭操作扭矩，并具有一定抗承载能力；阀杆与阀杆螺母的旋合长度≥阀杆直径的1．4倍；梯形螺纹尺寸应满足GB/T5796．1～5796．4标准规定与填料接触段的阀杆表面粗糙度≤Ra0．8μm；采用铬不锈钢(12Cr13、20Cr13)时，应进行调质处理，阀杆表面硬度为HB200～HB275；采用铬-镍不锈钢(304、Cr18-Ni9、Cr25-Ni20)或铬-镍-钼不锈钢(316、1Cr18Ni12MoTi)时，应进行固溶化处理；阀杆采用铬-钼合金钢时，应进行调质处理，同时表面经防腐处理；闸板T型槽强度应能保证阀杆嵌入不发生旋转，闸板与阀杆连接强度以及承压区域内阀杆光杆部分强度应大于等于阀杆梯形螺纹退刀槽处强度阀门公称通径≥DN300时应设置填料隔环，保护填料压缩时受力均匀和变形平整；阀盖填料箱深度至少能包含5个未经压缩的填料高度，当增设隔环时，其深度应大于等于隔环高度加6个未经压缩的填料高度；内径为填料外径再加0．8mm；表面粗糙度≤Ra3．2μm，同时装配时加注一定量的润滑脂上密封座采用具有抗腐蚀性能的不锈钢材质，密封面硬度应≥HB250采用具有抗腐蚀性能的不锈钢或硬质合金；启闭件-阀座密封副启闭件密封面和阀座密封面的最小硬度是HB250，启闭件密封面和阀座密封面最小硬度差为HB50；密封面若采用堆焊工艺，其堆焊层加工后厚度≥1．6mm手轮应采用碳素钢铸件、碳素钢锻件、球墨铸铁或可锻铸铁DN25～50磨损余量≥2．3mmDN65～150磨损余量≥3．3mm阀杆螺纹伸出部分最大值为5倍磨损余量闸阀闸板DN200～300磨损余量≥6．4mmDN350～450磨损余量≥9．7mm阀杆螺纹伸出部分最大值为3倍磨损余量DN500～600磨损余量≥12．7mm
阀门带压启闭寿命试验装置的主要技术指标满足行业生产现状和标准的试验技术要求，通过试验将进一步完善阀门选材、结构、工艺设计,有助于实际工况适用场合的安全性能分析。
参考文献：
[1] 中国特种设备检验协会.压力管道元件型式试验规则:TSG D7002—2006[S]，2006.
[2] 合肥通用机械研究所.闸阀 静压寿命试验规程：JB/T 8858—2004[S].北京：机械工业出版社，2004:8.
[3] 合肥通用机械研究所.石油、天然气工业用螺栓连接阀盖的钢制闸阀：GB/T 12234—2007[S]. 北京：中国标准出版社，2007:11.
[4] 胡文举，刘保国.一般阀门的常见故障和解决办法[J].盐业与化工，2012(8)：43-44.
Development of Valve with Pressure Opening and Closing Life Test Device
CHEN Jing-miao， WANG Yi-xiang
(Zhejiang Pump and Valve Products Quality Inspection Center, Yongjia 325105, China)
Abstract:Through the optimization working principle, valve with pressure opening and closing life test device was developed. The device adopts the high and low pressure water supply bimodule and digital closed-loop control system, thus improving the detection accuracy and efficiency. The valve with pressure opening and closing life test using the device, through the experimental analysis, the technical requirements of valve components structure was analized.
Keywords:valve; pressure opening and closing； life test
中图分类号：TH134
文献标识码：A
文章编号：1004-9614(2017)05-0031-03
作者简介：陈敬秒(1968—)，高级工程师，从事阀门质量检测工作。E-mail:xgccjm@163.com
收稿日期：2017-03-21
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