分析了管道系統(tǒng)上閥門扭矩和彎矩載荷產(chǎn)生的原因和影響，介紹了試驗(yàn)結(jié)果，闡述了閥門扭矩和彎矩安全性能綜合試驗(yàn)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(yàn)方法。

1、概述

　　目前，閥門的檢驗(yàn)有強(qiáng)度試驗(yàn)和密封試驗(yàn)等。但在實(shí)際工況中閥門安裝到壓力管道上，不僅承受著內(nèi)部介質(zhì)的壓力，還由于閥門、管道和內(nèi)部流體懸掛的自重，內(nèi)部流體流動(dòng)帶來的沖擊力及引起的系統(tǒng)振動(dòng)，安裝過程中的兩側(cè)法蘭安裝角度的錯(cuò)位和尺寸誤差間隙，系統(tǒng)溫度波動(dòng)的變化( 熱脹冷縮) ，材料熱處理不完善引起的內(nèi)應(yīng)力和啟閉動(dòng)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(chǎn)生一定的變形，影響閥門的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)檢測的需要，研制了閥門扭矩和彎矩安全性能綜合試驗(yàn)裝置。

2、工作原理

　　閥門扭矩和彎矩安全性能綜合試驗(yàn)裝置( 圖1和圖2) 采用一體化整體結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)，數(shù)字化閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以檢測金屬及非金屬材料的扭矩、彎矩性能，測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較常規(guī)的檢測方法進(jìn)一步提高。

　　扭矩性能試驗(yàn)由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)減速器，減速器與動(dòng)態(tài)扭矩傳感器之間安裝彈性聯(lián)軸器，使得減速器與動(dòng)態(tài)扭矩傳感器中心軸相連能順利進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)能量的傳遞，而且解決異軸相連導(dǎo)致不同軸等問題，不會使產(chǎn)生的彎矩對檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度有影響。動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)扭矩傳感器上感應(yīng)其扭矩值。閥門出口端的模擬管道可在導(dǎo)軌上滑動(dòng)( 兩根導(dǎo)軌在水平方向限制了轉(zhuǎn)動(dòng)，縱向可沿著中心軸進(jìn)行滑動(dòng)) ，使得扭轉(zhuǎn)過程中，閥門的變形及螺紋的擰入，系統(tǒng)軸向距離縮短，出口端的模擬管道可自由滑動(dòng)。彎矩性能試驗(yàn)時(shí)( 圖3) 采用全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。力矩感應(yīng)側(cè)采用可調(diào)節(jié)懸臂架支撐方案，實(shí)現(xiàn)力值傳感器與可調(diào)節(jié)懸臂架保持垂直，而且可調(diào)節(jié)懸臂架保持一定的剛性，保證在試驗(yàn)前和試驗(yàn)后被試驗(yàn)閥彎矩更準(zhǔn)確的感應(yīng)。被試驗(yàn)閥門的彎矩M = F ×L，試驗(yàn)前可調(diào)節(jié)懸臂架和閥門自重，通過力值傳感器的復(fù)位進(jìn)行清零操作，使試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。在出口端的模擬管道上施加的驅(qū)動(dòng)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(shè)可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)支架結(jié)構(gòu)，使得伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作拉伸牽引，避免了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在向施力時(shí)產(chǎn)生水平的錯(cuò)位移動(dòng)。

1. 鋼鏈2. 支撐彈簧3. 力值傳感器4. 可調(diào)節(jié)懸臂架5. 平衡支點(diǎn)6. 支架7. 閥門抗彎試樣( 金屬及非金屬材料)8. 調(diào)節(jié)環(huán)9、16. 模擬管道10. 拉桿11. 連桿12. 活動(dòng)支點(diǎn)13. 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)( 雙向絲桿) 14. 滑動(dòng)導(dǎo)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(dòng)態(tài)扭矩傳感器20. 彈性聯(lián)軸器21. 減速器22. 伺服電機(jī)

圖1 閥門扭矩和彎矩安全性能綜合試驗(yàn)裝置

a. 自動(dòng)預(yù)緊階段b. 加載階段c. 力矩保載階段d. 卸載階段e. 設(shè)定值

圖2 人機(jī)界面的力矩- 時(shí)間曲線

3、裝置性能

　　綜合試驗(yàn)裝置適用于測量公稱尺寸DN8 ～ 100的閥門，結(jié)構(gòu)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(tǒng)為數(shù)字化閉環(huán)控制。

4、測試過程

　　根據(jù)GB /T 8464 -2008 規(guī)定，對閥門施加扭矩和彎矩載荷( 表1 和表2) ，保持時(shí)間10s，閥門應(yīng)無破損及明顯變形，并符合強(qiáng)度試驗(yàn)和密封試驗(yàn)要求( 表3和表4) 。閥門按照閥腔結(jié)構(gòu)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(jìn)行扭矩試驗(yàn)，選取止回閥H14W - 16T -DN80 和球閥Q11F -20T - DN65 進(jìn)行彎矩試驗(yàn)。

圖3 閥門彎矩試驗(yàn)

表1 施加扭矩值

表2 施加彎距值

表3 抗扭矩試驗(yàn)

5、結(jié)果分析

　　(1) 扭矩和彎矩載荷對整體閥腔結(jié)構(gòu)的閥門影響比較小，對組合閥腔結(jié)構(gòu)閥門影響比較大。因此管道系統(tǒng)應(yīng)盡量選擇整體閥腔結(jié)構(gòu)的閥門，球閥體腔設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用上裝式整體結(jié)構(gòu)。

　　(2) 組合閥腔結(jié)構(gòu)的閥門施加扭矩載荷時(shí)，主、副閥體的連接螺紋進(jìn)一步旋入，主閥體體腔產(chǎn)生微變形，閥座進(jìn)一步對球體進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致球體表面產(chǎn)生壓痕。球體的啟閉過程中對閥座會產(chǎn)生刮損，無法實(shí)現(xiàn)密封，同時(shí)閥桿的啟閉力明顯增加。因此球閥在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主、副閥體連接處要設(shè)計(jì)止口結(jié)構(gòu)，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(yàn)

　　(3) 組合閥腔結(jié)構(gòu)的閥門施加彎矩載荷時(shí)，由于兩閥體連接螺紋有效長度短，導(dǎo)致產(chǎn)生螺紋連接緊固失效，產(chǎn)生崩裂現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)密封。因此在組合閥腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮介質(zhì)壓力對殼體的影響，還應(yīng)考慮系統(tǒng)最大彎矩對閥門結(jié)構(gòu)的影響，合理增加連接螺紋的有效長度，加強(qiáng)螺紋連接部位的局部厚度。

6、結(jié)語

　　通過閥門扭矩和彎矩綜合性能試驗(yàn)裝置的測試證明，雖然閥門壁厚達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，并且都符合殼體強(qiáng)度和密封要求，但是由于系統(tǒng)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(yīng)有效限制閥門最大懸掛管線的質(zhì)量，重型閥門應(yīng)指定安裝方式，而且在現(xiàn)有的閥門使用規(guī)范基礎(chǔ)上，明確閥門最大使用安裝預(yù)緊力，以確保閥門的安全使用。在閥門設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮實(shí)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。

參考文獻(xiàn)

　　〔1〕JIS S2120 - 2000，Gas Valves〔S〕.

　　〔2〕GB /T 8464 - 2008，鐵制和銅制螺紋連接閥門〔S〕