閥門扭矩和彎矩性能綜合試驗裝置研制

2013-09-20 林美國家閥門質量監督檢驗中心

　　分析了管道系統上閥門扭矩和彎矩載荷產生的原因和影響，介紹了試驗結果，闡述了閥門扭矩和彎矩安全性能綜合試驗裝置的性能和工作原理，探討了閥門扭矩和彎矩性能的試驗方法。

1、概述

　　目前，閥門的檢驗有強度試驗和密封試驗等。但在實際工況中閥門安裝到壓力管道上，不僅承受著內部介質的壓力，還由于閥門、管道和內部流體懸掛的自重，內部流體流動帶來的沖擊力及引起的系統振動，安裝過程中的兩側法蘭安裝角度的錯位和尺寸誤差間隙，系統溫度波動的變化( 熱脹冷縮) ，材料熱處理不完善引起的內應力和啟閉動作等因素，使得管道上的閥門承受著一定的扭矩和彎矩作用，引起閥體產生一定的變形，影響閥門的整體結構。根據檢測的需要，研制了閥門扭矩和彎矩安全性能綜合試驗裝置。

2、工作原理

　　閥門扭矩和彎矩安全性能綜合試驗裝置( 圖1和圖2) 采用一體化整體結構綜合設計，數字化閉環控制系統，可以檢測金屬及非金屬材料的扭矩、彎矩性能，測量準確度和穩定性較常規的檢測方法進一步提高。

　　扭矩性能試驗由伺服驅動系統帶動減速器，減速器與動態扭矩傳感器之間安裝彈性聯軸器，使得減速器與動態扭矩傳感器中心軸相連能順利進行轉動能量的傳遞，而且解決異軸相連導致不同軸等問題，不會使產生的彎矩對檢驗結果準確度有影響。動態扭矩傳感器與軸承座的連接采用硬連接，閥門試樣可直接從動態扭矩傳感器上感應其扭矩值。閥門出口端的模擬管道可在導軌上滑動( 兩根導軌在水平方向限制了轉動，縱向可沿著中心軸進行滑動) ，使得扭轉過程中，閥門的變形及螺紋的擰入，系統軸向距離縮短，出口端的模擬管道可自由滑動。彎矩性能試驗時( 圖3) 采用全新的結構設計。力矩感應側采用可調節懸臂架支撐方案，實現力值傳感器與可調節懸臂架保持垂直，而且可調節懸臂架保持一定的剛性，保證在試驗前和試驗后被試驗閥彎矩更準確的感應。被試驗閥門的彎矩M = F ×L，試驗前可調節懸臂架和閥門自重，通過力值傳感器的復位進行清零操作，使試驗結果更準確。在出口端的模擬管道上施加的驅動力采用平行四邊形加載法，保證力的加載過程中方向始終向下。增設可旋轉驅動支架結構，使得伺服驅動系統進行旋轉作拉伸牽引，避免了伺服驅動系統在向施力時產生水平的錯位移動。

閥門扭矩和彎矩安全性能綜合試驗裝置

1. 鋼鏈2. 支撐彈簧3. 力值傳感器4. 可調節懸臂架5. 平衡支點6. 支架7. 閥門抗彎試樣( 金屬及非金屬材料)8. 調節環9、16. 模擬管道10. 拉桿11. 連桿12. 活動支點13. 伺服驅動系統( 雙向絲桿) 14. 滑動導軌15. 滑套17. 閥門抗扭試樣( 金屬及非金屬材料) 18. 軸承組19. 動態扭矩傳感器20. 彈性聯軸器21. 減速器22. 伺服電機

圖1 閥門扭矩和彎矩安全性能綜合試驗裝置

人機界面的力矩- 時間曲線

a. 自動預緊階段b. 加載階段c. 力矩保載階段d. 卸載階段e. 設定值

圖2 人機界面的力矩- 時間曲線

3、裝置性能

　　綜合試驗裝置適用于測量公稱尺寸DN8 ～ 100的閥門，結構長度滿足GB /T 12221 - 2005 的要求，扭矩測量范圍0 ～ 500N·m，抗彎矩測量范圍大平臺工裝0 ～ 2 500N·m、小平臺工裝0 ～ 600N·m，彎矩最大變形角度45°，控制系統為數字化閉環控制。

4、測試過程

　　根據GB /T 8464 -2008 規定，對閥門施加扭矩和彎矩載荷( 表1 和表2) ，保持時間10s，閥門應無破損及明顯變形，并符合強度試驗和密封試驗要求( 表3和表4) 。閥門按照閥腔結構分為整體閥腔( 閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥) 和組合閥腔2 種方式( 球閥) 。選取閘閥Z15T - 10K - DN40 和球閥Q11F - 10T -DN50 進行扭矩試驗，選取止回閥H14W - 16T -DN80 和球閥Q11F -20T - DN65 進行彎矩試驗。

閥門彎矩試驗

圖3 閥門彎矩試驗

施加扭矩值

表1 施加扭矩值

施加彎距值

表2 施加彎距值

抗扭矩試驗

表3 抗扭矩試驗

5、結果分析

　　(1) 扭矩和彎矩載荷對整體閥腔結構的閥門影響比較小，對組合閥腔結構閥門影響比較大。因此管道系統應盡量選擇整體閥腔結構的閥門，球閥體腔設計應盡量采用上裝式整體結構。

　　(2) 組合閥腔結構的閥門施加扭矩載荷時，主、副閥體的連接螺紋進一步旋入，主閥體體腔產生微變形，閥座進一步對球體進行擠壓，導致球體表面產生壓痕。球體的啟閉過程中對閥座會產生刮損，無法實現密封，同時閥桿的啟閉力明顯增加。因此球閥在結構設計時，主、副閥體連接處要設計止口結構，編制更合理裝配和加工工藝，保證主、副閥體配合既緊密到位，又要保證球體和閥座有效密封貼合。

表4 抗彎矩試驗

抗彎矩試驗

　　(3) 組合閥腔結構的閥門施加彎矩載荷時，由于兩閥體連接螺紋有效長度短，導致產生螺紋連接緊固失效，產生崩裂現象，無法實現密封。因此在組合閥腔結構設計時，不僅需要考慮介質壓力對殼體的影響，還應考慮系統最大彎矩對閥門結構的影響，合理增加連接螺紋的有效長度，加強螺紋連接部位的局部厚度。

6、結語

　　通過閥門扭矩和彎矩綜合性能試驗裝置的測試證明，雖然閥門壁厚達到了標準要求，并且都符合殼體強度和密封要求，但是由于系統額外的扭矩和彎矩載荷因素，會對閥門造成一定的影響。在閥門的使用工況管線上，應有效限制閥門最大懸掛管線的質量，重型閥門應指定安裝方式，而且在現有的閥門使用規范基礎上，明確閥門最大使用安裝預緊力，以確保閥門的安全使用。在閥門設計時，應該考慮實際工況中外部管道對閥門所施加扭矩和彎矩的影響，避免存在安全隱患。