一种寒冷环境下管道防冻裂阀门的简介VIP

第 2 7卷第 3期 2 0 1 0年 6月 特种 结构 V 0 1 2 7 N o 3 J u n e 2 0 1 0 一 种寒冷环境下管道防冻裂 阀门的简介 何 向东 ( 敦煌市 自来水公司7 3 6 2 0 0 ) ( T h e T a p Wa t e r C o r p o r a t i o n o f D u n h u a n g C i t y 7 3 6 2 0 0) 摘要北方地 区气候寒冷， 阀门容 易冻裂 ， 防冻裂阀门在 阀门的阀体 内设置了两个气胎 ， 利用水随温度 下降而结冰 、 体积增加和气体随温度下降体积减 小的特性 ， 防止了阀门被 冻胀裂。 关键词管道 阀门 防冻裂 A B S T R A C T：B e c a u s e Q 厂 t h e c o l d c l i m a t e i n r m r t h e m d i s t r i c t ， i t i s e as y f o r v a l v e t o fre e z e a n d c r a c k I n o r d e r t o p r e v e n t t he v a h ,e f r o m c r a c k i n g， t w o a i r t i r e s a r e s e t t e d u p i n t h e v a l v e b o b a s e d o n t he c t u t r act e r i s t i c o ft he v o l u m e o fw a t e r b w m a s e w i t h f r e e z i n g a n d t he g a s v o l t l r n e dec r e a s e w i t h t e m p e r a t u r e fi d l i n g K E Y WOR DS ：尸 l y e A n t i - fro s t C F a X J k 弓 I 言 阀门 日常的生产 、 生活巾无处不在 ， 所有 的 输水管道都离 开各种阀门的控制 ， 给人们 的生 产 、 牛活 来了极大的方便。一般 的普通阀门， 仅 由阀体币 阀芯两大部分组成 ， 人们通过对 阀芯 的 肩 、 闭控制着水的流动。但足 ， 人们在冬季使用 阀 门的过 f lI 如果管道和阀门保温措施 利 ， 常常 会冈 候寒冷 、 管道水凝 固、 膨胀 胀破 阀门 ， 且这种现象非常普遍 ， 以至阀报废 ， 造成经济损 失 ， 使水失去控制 ， 大 泄漏 ， 影响正常的生产 、 生 活 ， 甚至造成水灾 ， 威胁人们生命 、 财产 安伞。北 方一些地的 自来水公 司不得 冬季组织专 门 的抢修 队 来处 这类事故 ， 事故造成他人财产 浸渍 ， 房屋塌陷 ， 还会引起 诉讼 ， 支付 巨额赔款 ， 耗 去火量的人力 、 物力和财力 。 下l f 1 i 介绍一种 防冻裂 的阀门， 它能够在气候 非常寒冷的条件下防止 阀被冻裂 、 报废 。 1 防冻裂 阀门的结构 这种阀门是在阀体 1人 J 的两端分别设计一个胎 腔， 在每个胎腔内分别装一个橡皮制成的气胎 ， 气 胎类似 自行车内胎 ， 胎体具有较强的伸缩能力 ， 胎 内允满气体 。 下而结合 1 5对该种阀门进一步说 明( 仅 以闸阀阀体一例 说明， l甘它阀门与此柏 古 j ) 。图 1 是阀体的结构示意图； 图 2是阀体的 F 剖视 图； 图 3 足 图 2的 A A剖视图 ； 图 4足 胎结构图 ； 图 5 是图 4的 1 3 一 B剖视图。 图中： 阀体 、 胎腔 、 铜环 、 气胎 。 S p 眦 I A I S T Rt J C T t3 R ES N o 3 2 0 】 0 、 图l 阀体的结构示意 图2 阀体的正剖面 在 图 2巾胎 腔 与 阀体 为 一 整体 。图 中， 为胎 腔 腔 体 小 半 径 ， r 4为气 胎 网环 小半径 ， r 2 = r 4 ， R 1 为阀门进 口半径 ， 为胎 腔大 圆半 径 ， R 4 为气胎小 l列 中 心 线 的 半 径。 使用 时 气 胎 装 入胎腔。 V 图3 A A 图4 气胎的 图5 B B 剖面 结构 剖面 2 防 冻 裂 阀 门 的 工 作 原 理 “防 冻 裂 阀 门 ”巧 妙地 利用 水 和气 体 的体 积随温度变化的物理特性设计 成 ， 水随着温度 的降低 、 结冰 ， 它 的体积会逐渐膨胀 ， 凶 而对 密闭 的阀门产生很大的压力 ， 而气体却恰恰相反 ， 随着 温度的降低和压力 的增大 ， 它的体积会急剧缩小 ， 而且气体相对水非 常活泼 ， 它 的收缩程度远 远大 于水的膨胀程度 ， 所 以安装在 阀体 内的气胎 随着 阀体内水的结 冰膨胀 ， 会迅速收缩 ， 让出空 间， 完 仝容纳 了冰的膨胀部分 ， 彻底消除 了冰的膨胀部 分对阀体的压力， 从容地保护了阀体 。 1 1 3 特种结构 2 0 1 0年第 3期 而阀体内不设置气胎 的一般普通 阀门， 由于 其阀体 内没有调节空M ， 当水随 温度 的降低 、 结 冰， 体积膨胀时 ， 膨胀所产牛的压力将全部作用于 力 ， 以至阀体 能承受 被胀破 ， 造成阀门报废和 管道泄漏事故。 下面通过一组数据计算对 以上原理进行验 阀体 的内壁 ， 对密闭的阀门就会产生非常大 的压 证， 计算数据如表 1 。 表 1 受冻 时气胎的体积变化和内力 出水 径 闸阀阀体 防冻阀体长 阀体 内 气胎小 半圆中 气胎 内气体 水结冻增 I 气胎压缩后 水结冰气胎 规格 水的体积 气胎小、 F 心线半径 的体积 的 本 积 的体积 承受的压力 ( D) c m 长度 ( 1 ) c ：m 度 ( L ) c m 径( ) c m ( V l ) c 1 1 2 ( 凡) c m ( V 4 ) c m 2 ( V 1 b ) e m 2 ( V 4 b ) c m ( I ) h ) k g c m 2 DN1 5 1 5 6 O 6 9 1 3 4 l 0 2 2 5 0 9 8 1 9 5 1 2 2 O 7 3 7 3 7 DN 2 O 2 0 6 5 7 7 2 6 6 0 O 3 1 3 O 4 6l 2 4 2 2 2 ( 】 5 7 9 DN 2 5 2 5 7 5 9 0 4 8 5 7 0 3 7 5 1 6 3 9 0l 4 4 2 4 6 o 5 4 0 DN 4 0 4 O 9 5 1 1 9 l 6 4 41 0 6 2 6 0 3 6 9 1 1 4 9 5 21 9 7 4 6 3 DN 5 0 5 ( ) l 1 0 1 4 0 3 ( )2 2 3 0 7 5 3 2 5 7 2 1 0 2 7 4 8 4 4 6 2 4 4 5 J DN 8 O 8 0 1 5 O 1 9- H l ( ) 9 4 2 3 1 2 5 2 O 2 9 5 3 1 9 9 4 8 l 9 5 8 4 1 5 DNl 0 D 1 0 0 1 7 0 2 3 O 1 9 8 6 0 5 1 5 6 5 O 5 7 6 7 9 1 8 O 5 5 3 9 6 2 4 0 l 1 防冻裂阀门的进水 H径按国标尺寸计算。 2 气胎的网环小 半径 r 4 为阀门进水 口 R _ 的 3 0 ： r 4= R1 X 3 0 。 3 胎腔小 半径 等于气胎圆环小半径 ， 气 胎的大圆内半径等于阀门进水 口半径 R ， 气胎 的 大圆外 半径 R 2 等于气胎大圆内半径加气胎小 圆 直径 ， 即： R 2 =R l +2 r 4 ， 那么， 气 胎的小 圆中心线 的半径： R 4 =( R 1 +R 2 ) 2=( R l +R 1 +2 q) 2 。 4 阀体 K度 为原 国标阀体 长度加 2个胎腔 部分的尺寸 ， 用 L表示 ， 即 ： L =l +2 X 2 。 5 阀体内存水部分 的容积 ， 也就是常温 阀 体内水的体积， 用 V l 表示 ， 即： V l =兀 R L1 1 ( 1 1 为考虑到阀体接头问隙、 阀板缝 隙等部分的 水量系数 ) 。 6 在常温下 2个气胎 中气体 的体积按 园环 胎体积公式计算 ， 用 V 4 表示 ： V 4 =2 r r2 R 4 X 2 。 7 由于冰的密度为 9 0 0 k g c m 2 ， 水的密度 为 1 0 0 0 k g c m2 ，水结冰后 体内冰的体积增加 】 1 1 ， ， j V 1 b 表示， 即： V l h =V l 1 1 。 8 冰增加的体积即为气胎被压缩的体积 ， 用 气胎常温下的体积减去被压缩的体积就是气胎被 压缩后的体积， 用 V 4 b 表示， 即： v 4 b = v 4 一V 1 。 9 气胎内气体的压缩是因阀体内水结冰体积 膨胀增加的压力和温度 下降造成的， 当温度下降至 一 4 时 ， 冰的的体积为最大 ， 一4 以下时冰随温 一 1 1 4一 度的下降， 体积又会减小。按照气体状态方程 ： P s V4 s T s = Pb v 4 b T b 水结冰后的最大体积 下， 气胎所承受 的压力 为 ： P6= P s v 4 s T b v 4 s 式中： P 为阀体内常温下的管道压力( 2 0 时) ， 一 般供水管道 服务压力为 3 k g c m 2 ； V 4 为常温下气 胎内气体的体积 ； T 为常温下的热力学温度 ， 即： T = 2 7 3+ 2 0 0 ( ； =2 9 3 K； V 4 h 为水结冰后的气胎被压 缩后的气体体积； T 为水结冰膨胀度最大时的热 力学温度， 即： T b = 2 7 3 4 C=2 6 9 K ； 气胎所承受 的压力即为阀门所承受的压力。 按照 以上公式 ， 计算出表 中所列各种 规格 的 防冻裂阀门在水结冰后所承受的最大压力 ， 阀门 越人 ， 这个压力越小 ， 最小的阀门所承受的压力为 7 3 7 k g c r n 2 ， 而一般供水管道 上规定 阀门的最大 承受压力为 1 6 k g c m 2 。 通过上述计算验证 ， 防冻裂 阀门在其内水结 冰后 阀体所承受的压力远远小于阀门所规定的最 大压力 ， 内设 的气胎完全有能力保护阀门而不被 冻裂。 3 防冻裂阀门的工作过程 阀门装于管道上正常使用时， 气胎保持鼓起状 态， 当管道内的液体( 水) 随温度的降低、 凝固、 膨胀 时， 气胎内的气体的体积则【大J 温度的降低和压力的 S P E C IA L ST R U C q U R N 0 3 2 0 1 0 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m N o 3 2 0 1 0 何向东 ： 一种寒冷环境下管道防冻裂 阀门的简介 增大而大幅缩小， 加之胎体有较好 的伸缩性 ， 使水 结冰后的膨胀部分进入胎腔 ， 从而抵消了由于冰的 膨胀对阀体的巨大压力， 使阀体得到保护而不被胀 破。随着温度的回复， 冰体溶化， 水的体积减小 ， 胎 内气体的体积随之增大， 直到恢复原状。 4 本防冻裂阀门的特点 1 这种 阀门在一般 阀门基础上仅增设 两个 胎腔 ， 增加两个气胎 ， 结 构非常简单 ， 对流量没有 任何影响， 但阀体的加长和气胎的增设， 生产成本 有所增加。 2 由于“ 防冻阀门” 的特殊防冻功能 ， 非常适 合在我国的北方地区和世界寒冷地区使用。 ( 1 ) 对城市 自来水公司来说 ， 冬季可 以大量减 少阀门维护数量 ， 减少泄漏事故 ， 减少诉讼赔偿 ， 从而节省大量的人力 、 物力和财力。 ( 2 ) 在工业领域 ， 它不仅可以在供水管道上使 用 ， 也可用于其它液体管道来 防止阀门冻裂出现 泄漏事故 ， 尤其是在一些季节性较 强的工厂 、 矿 区， 冬季不生产 ， 应用“ 防冻阀门” 可以不用反复拆 装或供热防冻 ， 节省大量开支。 ( 3 ) 在农 村管灌 和城 市绿化 中 ， 由于冬季停 灌 ， 一般管道埋深很浅 ， 有的不得不安装在露天或 野外 ， 应用“ 防冻 阀门” 冬季可 以避免 因冻裂 阀门 造成 的大量损失。 ( 4 ) 在人们 的 日常生活 中更 能显现 出它 的作 用 ， 如冬季锅炉停电或维修停 暖时 ， 可以防止暖气 管道上的阀门冻裂 ， 平房居民外出不在家时， 可以 防止 自来水阀门冻裂 ， 避免因此造成水灾损失和 灾难。 ( 5 ) 在其它领域 ， “ 防冻 阀门” 同样可 以发挥它 独有的特殊作用 ， 如地质勘探 、 科学试验、 科学考 查 、 长途运输等一些野外工作 ， 他们临时使用的仪 器 、 设备和设施都配有各种阀门 ， 应用“ 防冻阀门” 可 以消除因阀门冻裂带来 的种种不便 ， 使他们的 工作得到顺利进展。 ( 6 ) 即便是在夏季或一些不发生结冰的地区， “ 防冻阀门” 安装在管道上还可 以缓解管道气锤或 局部增压对管道设施 的影响 ， 避免爆管事故 的发 生。因此 ， “ 防冻阀门” 的区域适应能力远远超出 其它阀门， 应该能够得到广泛应用 。 5 结语 本文通过对防冻裂阀门结构 的介绍 、 工作原 理的阐述和防冻裂 阀门性能 的计算 、 比较 、 分析 ， 清楚地表 明防冻裂 阀门独特的设计原理能够有效 地达到阀门的防冻裂 目的， 非 常适合在严寒地 区 和野外作业 中各类液体管道上应用 ， 而且结构非 常简单 ， 极易生产和推广应用。 参考 文献 1 中华人 民共各国专利局 1 9 9 6年 5月 1 5日实用新型专利公报 第 1 2卷第 2 O号下册 ( 总第 5 5 4 ) 2 中国建筑工业出版社 给水排水设计手册 第 1 册 3 陆培文 阀门设计入门与精通 机械： E业出版社 4 化工装置实用工艺设计 化学工业出版社 5 李炜主编 水利i f _ 算手册( 第二版 ) 中国水利水电出版社 ( 上接第 5 0页) 当荷载达到 2 倍