在輸油管線系統(tǒng)及煉油化工裝置輸送液體的管路中，當(dāng)調(diào)節(jié)閥或開關(guān)閥突然開啟或關(guān)閉時(shí)，可引起較強(qiáng)烈的水擊，輕則引起管道的振動(dòng)，重則造成設(shè)備的損壞。比如，在油庫輕油灌裝系統(tǒng)中，常因終端閥門關(guān)閉速度過快而出現(xiàn)這類問題。因此必須采取措施，防止水擊危害。目前已有一些防水擊裝置可供選用，比如泄壓閥、穩(wěn)壓罐等，但配備這些裝置需要增加成本和維護(hù)工作量。如果能對現(xiàn)有閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作些改進(jìn)，避免或減弱水擊，一方面能從根源上解決問題，另一方面可降低防水擊的成本。   

    1 閥門突然開閉原因

    輸油管線中使用的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)活塞開關(guān)閥和電磁開關(guān)閥，因能源中斷、通氣或通電及微分作用的影響，會(huì)出現(xiàn)迅速開閉。

    1.1 能源中斷

    當(dāng)由于某種原因使電源或氣源突然中斷時(shí)，一般的調(diào)節(jié)閥或開關(guān)閥因?yàn)闆]有自鎖功能，會(huì)瞬時(shí)改變狀態(tài)，即迅速全開或全關(guān)。

    1.2 活塞閥和電磁閥的動(dòng)作

    活塞閥和電磁閥一般都是二位式，即使是正常動(dòng)作，其迅速的開閉也不可避免。只要通氣或通電，閥門瞬時(shí)間完成開閉狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

    1.3 微分作用的影響

    目前，在過程控制中使用了許多比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器，其輸出與輸入偏差的關(guān)系為 

    式中P－－調(diào)節(jié)器輸出
    k_c－－比例放大倍數(shù)
    e－－輸入偏差
    T_d－－微分常數(shù)
    T_t－－積分常數(shù)

    微分作用對于快速消除干擾影響，盡快穩(wěn)定系統(tǒng)是有益的。但是，當(dāng)k_c和T_d都較大時(shí)，若遇稍大些的，則會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的微分超調(diào)作用，使P迅速增大或減�。ㄒ昬的符號(hào)而定），從而控制閥門瞬時(shí)全開或全關(guān)。

    2 閥門開閉產(chǎn)生的水擊壓頭

    根據(jù)理論力學(xué)的動(dòng)量定律推導(dǎo)可得到慣性水擊壓頭與流速瞬變的關(guān)系

    式中ΔH－－水擊壓頭，m
    α－－水擊波速，m/s
    g－－重力加速度，m/s²
    ΔV－－流速變化，m/s
    哈立維爾水擊波速的表達(dá)式如下

    式中E0－－輸送液體積彈性系數(shù)，MPa
    E－－管材彈性模量，MPa
    D－－平均管徑，m
    b－－管壁厚度，m
    p－－輸送液密度，kg/m³
    ψ－－因數(shù)，由管道固定狀態(tài)決定。

    如果突然開閉閥門，將導(dǎo)致流速變化量ΔV很大，產(chǎn)生的水擊壓頭ΔH可能是原先管中液壓的若干倍，所以突然開閉閥門是產(chǎn)生強(qiáng)烈水擊的原因。

    3 分程緩開閉方法

    突然開閉閥門將引起流速瞬變。如果閥門緩慢開閉，從而使流速逐漸變化，那么產(chǎn)生的水擊壓頭可以看成是一系列流速依次瞬間變化的水擊壓頭的代數(shù)和，即

    流速逐漸變化產(chǎn)生的增壓波是逐個(gè)發(fā)出的，后面的疊加在前面之上，管道沿線各截面處的壓頭逐漸增加，其減壓波也是逐個(gè)返回，依次把原來增大了的壓頭減小。流速瞬變時(shí)，減壓波來不及返回，產(chǎn)生直接水擊。當(dāng)流速緩變時(shí)，在液流中斷前，部分減壓波已返回，抵消了部分增壓波，形成間接水擊，其值低于直接水擊。若能將流速變化降到適當(dāng)值，就可以消除水擊的危險(xiǎn)性。

    根據(jù)分析，在閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)上增設(shè)一個(gè)阻尼機(jī)構(gòu)，使之在接近關(guān)閉行程的*后20%范圍內(nèi)發(fā)揮作用，讓閥門分程緩關(guān)閉。也就是說，在關(guān)閥行程的0~80%范圍內(nèi)，此阻尼機(jī)構(gòu)不起作用，以保證閥門有良好的動(dòng)作靈敏性，而在*后的20%關(guān)閥行程中分為2級阻尼，使之越到接近全關(guān)的位置，阻尼越強(qiáng)烈，消除了流速瞬變造成的水擊危害根源，其中2級阻尼的強(qiáng)度可以用針閥調(diào)節(jié)，便于根據(jù)不同的閥門和過程對象，選擇*佳阻尼，達(dá)到防水擊的效果。

    4 實(shí)施方案

    用于石油化工行業(yè)的閥門及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型很多.比如氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥就有執(zhí)行機(jī)構(gòu)正作用式、反作用式和閥體正裝式、反裝式等多種組合。由于防水擊阻尼機(jī)構(gòu)必須在關(guān)閥行程的末端起作用，所以應(yīng)根據(jù)組合情況裝于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的某個(gè)適當(dāng)位置，其結(jié)構(gòu)略有不同（圖1）。

    如圖2所示，防水擊裝置的活塞固定在閥桿上并浸泡在阻尼液中，缸體上部直徑大于下部直徑。在調(diào)節(jié)閥行程的80%范圍內(nèi)，此閥桿的動(dòng)作未受阻尼。當(dāng)活塞移動(dòng)到關(guān)閉方向的*后20%行程時(shí)，進(jìn)入小直徑段，必須將阻尼液從2個(gè)回流通道壓出，活塞才能下移。阻尼液回流的速度可以用2個(gè)阻尼針閥調(diào)整，于是在關(guān)閥行程*后20%~15%間閥桿受到一級阻尼。在進(jìn)入關(guān)閥行程的*后5%時(shí)，一級回流通道被封閉，剩余的阻尼液只能經(jīng)二級回流通道回流，所以閥的移動(dòng)速度進(jìn)一步降低，緩慢完成*后的關(guān)閉行程。開閥行程與之相反。由于阻尼液的補(bǔ)充速度受限，在由關(guān)閉到開啟5%的行程內(nèi)閥桿的動(dòng)作*慢，在其后15%行程內(nèi)阻尼減小，動(dòng)作加快，在后面的80%行程，不受阻尼影響。這樣通過2級阻尼，達(dá)到使閥門分程緩開閉的效果。

    阻尼液可以采用變壓器油、透平油或硅油等粘度適中，性能穩(wěn)定，適用溫度范圍寬的液體。整個(gè)緩閉裝置體積不大，可以安裝在閥門的填料函上，裝卸方便。為了防止沿閥桿填料滲漏出來的少量輸送液污染阻尼液，設(shè)置了排放口。阻尼針閥上有鎖緊裝置，調(diào)好后可以鎖定�；钊c缸體的配合面增加了一定的加工難度，但此結(jié)構(gòu)并不需要太高的精度，即使活塞與缸體間有一定的泄漏時(shí)仍能保證足夠的阻尼作用。

    5 結(jié)論

    將防水擊裝置安裝到DN100mm氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥上作了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，加裝分程緩開閉裝置的效果十分明顯。在系統(tǒng)壓力為0.5MPa時(shí)，不使用分程緩閉裝置的調(diào)節(jié)閥，突然關(guān)閥時(shí)產(chǎn)生的水擊壓力峰值約為3.2MPa。使用了分程緩閉裝置的調(diào)節(jié)閥，在同樣條件的水擊壓力峰值為1.2MPa。在調(diào)節(jié)閥*后的5%關(guān)閉行程內(nèi)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度有所下降，但不影響工業(yè)生產(chǎn)的正常使用要求。

    綜上所述，使用分程緩開閉裝置改裝而成的防水擊閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠在不影響閥門主行程靈敏性的前提下，阻尼關(guān)閥行程的*后部分，使直接水擊變?yōu)殚g接水擊.有效地減小了水擊壓頭，對保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要作用。該裝置成本低，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝使用，稍加修改設(shè)計(jì)，即可制成系列產(chǎn)品，適用于不同結(jié)構(gòu)與不同尺寸的閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司