阀门扭矩和弯矩性能综合试验装置研制

2013-09-20 林美国家阀门质量监督检验中心

　　分析了管道系统上阀门扭矩和弯矩载荷产生的原因和影响，介绍了试验结果，阐述了阀门扭矩和弯矩安全性能综合试验装置的性能和工作原理，探讨了阀门扭矩和弯矩性能的试验方法。

1、概述

　　目前，阀门的检验有强度试验和密封试验等。但在实际工况中阀门安装到压力管道上，不仅承受着内部介质的压力，还由于阀门、管道和内部流体悬挂的自重，内部流体流动带来的冲击力及引起的系统振动，安装过程中的两侧法兰安装角度的错位和尺寸误差间隙，系统温度波动的变化( 热胀冷缩) ，材料热处理不完善引起的内应力和启闭动作等因素，使得管道上的阀门承受着一定的扭矩和弯矩作用，引起阀体产生一定的变形，影响阀门的整体结构。根据检测的需要，研制了阀门扭矩和弯矩安全性能综合试验装置。

2、工作原理

　　阀门扭矩和弯矩安全性能综合试验装置( 图1和图2) 采用一体化整体结构综合设计，数字化闭环控制系统，可以检测金属及非金属材料的扭矩、弯矩性能，测量准确度和稳定性较常规的检测方法进一步提高。

　　扭矩性能试验由伺服驱动系统带动减速器，减速器与动态扭矩传感器之间安装弹性联轴器，使得减速器与动态扭矩传感器中心轴相连能顺利进行转动能量的传递，而且解决异轴相连导致不同轴等问题，不会使产生的弯矩对检验结果准确度有影响。动态扭矩传感器与轴承座的连接采用硬连接，阀门试样可直接从动态扭矩传感器上感应其扭矩值。阀门出口端的模拟管道可在导轨上滑动( 两根导轨在水平方向限制了转动，纵向可沿着中心轴进行滑动) ，使得扭转过程中，阀门的变形及螺纹的拧入，系统轴向距离缩短，出口端的模拟管道可自由滑动。弯矩性能试验时( 图3) 采用全新的结构设计。力矩感应侧采用可调节悬臂架支撑方案，实现力值传感器与可调节悬臂架保持垂直，而且可调节悬臂架保持一定的刚性，保证在试验前和试验后被试验阀弯矩更准确的感应。被试验阀门的弯矩M = F ×L，试验前可调节悬臂架和阀门自重，通过力值传感器的复位进行清零操作，使试验结果更准确。在出口端的模拟管道上施加的驱动力采用平行四边形加载法，保证力的加载过程中方向始终向下。增设可旋转驱动支架结构，使得伺服驱动系统进行旋转作拉伸牵引，避免了伺服驱动系统在向施力时产生水平的错位移动。

阀门扭矩和弯矩安全性能综合试验装置

1. 钢链2. 支撑弹簧3. 力值传感器4. 可调节悬臂架5. 平衡支点6. 支架7. 阀门抗弯试样( 金属及非金属材料)8. 调节环9、16. 模拟管道10. 拉杆11. 连杆12. 活动支点13. 伺服驱动系统( 双向丝杆) 14. 滑动导轨15. 滑套17. 阀门抗扭试样( 金属及非金属材料) 18. 轴承组19. 动态扭矩传感器20. 弹性联轴器21. 减速器22. 伺服电机

图1 阀门扭矩和弯矩安全性能综合试验装置

人机界面的力矩- 时间曲线

a. 自动预紧阶段b. 加载阶段c. 力矩保载阶段d. 卸载阶段e. 设定值

图2 人机界面的力矩- 时间曲线

3、装置性能

　　综合试验装置适用于测量公称尺寸DN8 ～ 100的阀门，结构长度满足GB /T 12221 - 2005 的要求，扭矩测量范围0 ～ 500N·m，抗弯矩测量范围大平台工装0 ～ 2 500N·m、小平台工装0 ～ 600N·m，弯矩最大变形角度45°，控制系统为数字化闭环控制。

4、测试过程

　　根据GB /T 8464 -2008 规定，对阀门施加扭矩和弯矩载荷( 表1 和表2) ，保持时间10s，阀门应无破损及明显变形，并符合强度试验和密封试验要求( 表3和表4) 。阀门按照阀腔结构分为整体阀腔( 闸阀、截止阀、止回阀、蝶阀) 和组合阀腔2 种方式( 球阀) 。选取闸阀Z15T - 10K - DN40 和球阀Q11F - 10T -DN50 进行扭矩试验，选取止回阀H14W - 16T -DN80 和球阀Q11F -20T - DN65 进行弯矩试验。

阀门弯矩试验

图3 阀门弯矩试验

施加扭矩值

表1 施加扭矩值

施加弯距值

表2 施加弯距值

抗扭矩试验

表3 抗扭矩试验

5、结果分析

　　(1) 扭矩和弯矩载荷对整体阀腔结构的阀门影响比较小，对组合阀腔结构阀门影响比较大。因此管道系统应尽量选择整体阀腔结构的阀门，球阀体腔设计应尽量采用上装式整体结构。

　　(2) 组合阀腔结构的阀门施加扭矩载荷时，主、副阀体的连接螺纹进一步旋入，主阀体体腔产生微变形，阀座进一步对球体进行挤压，导致球体表面产生压痕。球体的启闭过程中对阀座会产生刮损，无法实现密封，同时阀杆的启闭力明显增加。因此球阀在结构设计时，主、副阀体连接处要设计止口结构，编制更合理装配和加工工艺，保证主、副阀体配合既紧密到位，又要保证球体和阀座有效密封贴合。

表4 抗弯矩试验

抗弯矩试验

　　(3) 组合阀腔结构的阀门施加弯矩载荷时，由于两阀体连接螺纹有效长度短，导致产生螺纹连接紧固失效，产生崩裂现象，无法实现密封。因此在组合阀腔结构设计时，不仅需要考虑介质压力对壳体的影响，还应考虑系统最大弯矩对阀门结构的影响，合理增加连接螺纹的有效长度，加强螺纹连接部位的局部厚度。

6、结语

　　通过阀门扭矩和弯矩综合性能试验装置的测试证明，虽然阀门壁厚达到了标准要求，并且都符合壳体强度和密封要求，但是由于系统额外的扭矩和弯矩载荷因素，会对阀门造成一定的影响。在阀门的使用工况管线上，应有效限制阀门最大悬挂管线的质量，重型阀门应指定安装方式，而且在现有的阀门使用规范基础上，明确阀门最大使用安装预紧力，以确保阀门的安全使用。在阀门设计时，应该考虑实际工况中外部管道对阀门所施加扭矩和弯矩的影响，避免存在安全隐患。