罗利梅

(广东明珠流体机械有限公司，广东 兴宁 514500)

传统的试水阀结构上基本是一位式两端接口螺纹直通球阀，形成一管多阀蜘蛛网式渠道，且大多数球阀的阀座与球体接触密封面大太，存在启闭力矩大。密封性能差及管道安装应力的影响大大增加了启闭力矩或者造成泄漏，从而缩短了球阀的使用寿命。

消防末端试水阀是一种新型，应用新技术、新结构和新理念，采用内螺纹T型三通结构，与压力表、水力警铃、测流仪、试水喷嘴配套组合成末端试水装置，可以快速检测整个消防系统运行状况。

1 结构特点及工作原理

1.1 主要构件

消防末端试水阀的主要构件，如图1所示。主要部件为：阀体 1，球体 2，阀座 3，端盖 4，盖接头 5，阀杆6，密封环7，V形填料8，螺套9，定位板10，弹簧垫圈11，压紧螺母12，倒密封垫13，锁块14，拉伸弹簧15，O形圈16，窥视镜17，紧定螺钉 18，铆钉19，手柄装置20。

图1 消防末端试水阀主要构件

1.2 消防末端试水阀的工作特点及工作原理

（1）消防末端试水阀通过手动或电动方式来控制末端试水装置的开启或关闭。其设计成五个接口：接口1是进水口，与消防管网连接；接口2是测流口，与水流指示器或测流仪连接；接口3是报警口，与水力警铃连接；接口4是测试口，与检测管/（件）或试水喷嘴连接；接口5是用于连接压力开关和压力表。

（2）阀门开关动作时，拉动锁块14，手动装置20中的手柄顺时针方向旋转90°，球体2做开启动作；手柄装置20的轴线方向与球阀轴线方向垂直，球阀处于全开状态，如图2中（1）的位置，接口1至接口5全通、实现一位三通的理想状态，可以快速检测消防系统运行；当手动装置20中的手柄再作顺时针方向旋转90°，球体2转动；手柄装置20轴线方向与球阀轴线方向同一反水平线时，球阀处于关闭状态，如图2中（2）位置，接口1至接口3关闭；当手动装置20中的手柄再顺时针方向旋转90°，球体2转动；手柄装置轴线方向20与球阀轴线方向反垂直时，球阀处于半关闭状态，如图2中（3）位置，接口4关闭，可以测试消防管道的压力和测流仪；当手动装置20中的手柄再次按顺时针方向旋转90°，球体2转动；手柄装置20轴线方向与球阀轴线方向同一水平线时，球阀处于半关闭状态，如图3中（4）位置，关闭接口5，锁块14锁紧手柄装置20，这样可以检修或更换压力表。

图2 阀门开关动作时球体的位置图

2 设计技术方案

消防末端试水阀为内螺纹T型三通浮动球直通球阀，在设计中，其主要零件部件材料为：阀体材质采用优质不锈钢或黄铜，阀杆材质为2Cr13、304、316，球体材质A105、304、F316。阀门的设计泄漏量符合GB/T13927的规定。

倒密封垫、V型填料、密封环和阀座是采用高密度分子结构的优质PTFE粉末与玻纤的合成，其具有自密封性能，因为阀座嵌在端盖、阀体内，当流体从通道一端流向垂直的一端时，流体压力在球体上所产生的反冲力将球体压向阀座，使通道另一端保持密封。在介质压力较小时呈线性密封，所需密封力很小，此时靠装配时的预紧力即可保证双向密封。随着介质压力的升高，密封力增大，密封性能因而得到保证。同时，阀座发生弹性变形，使座环与球体的接触面也随之增大，它们之间的比压降低，减小了开闭时的磨损，延长阀门的使用寿命。

为确保球体与阀座形成良性密封，阀座与球体形成完整的双斜面密封副，双斜面密封副为双α角设计，α角为15～45°。如图3所示。

图3 阀座与球体形成双斜面密封副

3 计算与验证

为了保证阀门的密封性能、操作性能以及延长使用寿命，需对阀体壁厚、阀芯和阀杆等进行计算和验证。

3.1 阀体壁厚

计算厚度 ：S'B={1.32P·D/2[σL]-1.2P}+C

式中，

P为设计给定的压力，MPa；

D为阀体内腔的最大直径（设计给定），mm；

σL为许用拉应力（查表）,MPa；

C为腐蚀余量（按推荐值选取），mm。

阀体实际壁厚SB可以通过查表法（ASME B 16.34或GB/T1224）与计算壁厚S'B相对比,满足SB＞S'B产品符合设计要求。

3.2 球阀直径

球体最小直径:Dos=Ds2+DN2

式中，

Ds为密封面外径(计算可得)，mm；

DN为密封面外径(计算可得)，mm。

球体通道计算长度L：L'=D02-DN2（其中，Do为球体实际直径（设计选定），mm；L为球体通道实际长度（设计选定），mm。

满足：Do＞Dos，L＜L'的要求

3.3 密封面的总作用力及计算比压

密封面总作用力：QMZ=QMJ

流体静压力在阀座密封的力：QMJ=0.785(DMNbm)2·P

式中，

DMN为密封面内径（设计给定），mm；

bm为密封面介质流向投影宽（设计给定），mm；

P为设计给定的压力，MPa。

密封面正应力N：N=QMJ/cosψ（其中，ψ为密封面法向与流道中心夹角密封面必须比压)。

密封力(必须)：QMF=π(DMN+bm)t·qMF

式中：

t为密封面宽度，mm；

QMF为密封面必须比压密封面必须比压，mm。

密封面计算比压:q=N/π(DMN+bM)t

根据密封比压原理可知，如果要实现密封必须满足：QMF＜QMZ，qb燮q＜[q]的要求，通过合理的设计与计算，参数满足要求。

3.4 阀杆总转矩及强度验算

（1）总转矩M：M=Mm+Mt+Mu

式中，

Mm为球体与阀座密封圈间的摩擦转矩（计算可得），N.mm；

Mt为阀杆与填料间的摩擦总转矩计算可得），N.mm；

Mu为轴承的摩擦转矩计算可得），N.mm。

（2）阀杆断面扭转应力 τN：τN=M/W，MPa

式中，

M为总转矩，N.m；

W为断面处的抗扭断面系数，mm3。

（3）许用扭应力[τN]，MPa

如果要实现阀杆的强度满足设计要求，必须符合τN＜[τN]的要求，通过合理的设计与计算，参数满足要求。

4 结束语

通过设计计算验算和实际运用，消防末端试水阀广泛应用于大型工业场所、石油石化行业、冶金行业、风电行业和建筑行业中，安装在消防系统、消防供水设备管网或分区管网的末端，用于检验自动喷水灭火系统运行状况。

[1]洪勉成，陆培文，高凤琴.阀门设计计算手册[M].北京:中国标准出版社,1994.

[2]陆培文.实用阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社，2002.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社，2000.

[4]章华友.球阀设计与选用[M].北京:科学技术出版社，1994.