刘功祥

（江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院)

0 前言

球阀是石油、化工、电站、长输管线等国民经济各部门不可缺少的流体控制设备。在西气东输的大背景与时下天然气的推广普及的应用环境之下，球阀的重要性不言而喻。

随着西气东输工程的推进，城市天然气管网的陆续建成，球阀将有更广阔的应用前景。随之而来的是对球阀的可靠性、耐用性等性能的要求越来越高。为了保证球阀的质量，必须进行三个方面的试验：一是阀体水压试验，二是阀体气压试验，三是球阀阀体密闭性试验[1]。

球阀阀体气压试验就是对球阀的阀体充气加压并将其全部浸入水下进行观察，检查有无泄漏。该试验的主要目的是确保球阀的质量。本文研究的装置为半自动气压试验装置。要求设计的球阀试验装置对球阀具有提升、水平移动、锁扣、密封、充压、吹干等功能。

1 整体设计

作为一种检测试验装置，对于其可靠性有着比较高的要求。对于这样一个新型装置，起初我们的设计要求主要有以下几点：

（1）依照球阀的设计参数初定该装置的设计参数；

（2）依照相关设计准则初定装置的结构，并对其可行性进行论证；

（3）对于选定方案进行理论的计算与校核；

（4）通过一定的工厂实习与市场调研，确定详细的结构以及完成零部件选型；

（5）利用相关软件进行装置装配及运行模拟。

为了达到以上要求，我们在设计之初结合市场、生产厂家和目前行业现状确定了该装置的主要目标。要求试验装置能在自动控制下完成试件提升、水平移动、压紧装置自动锁扣、密封、充压和进行试验，同时实时记录数据，完成试验后自动转移试件并将试件吹干。天然气球阀的气压试验对于安全性有更高的要求。为了实现以上各项功能，同时又最大程度地满足各方需要，最终把整套装置分成六大主体，即上下提升平台、水平移动平台、传动装置、压紧密封装置、干燥装置和打印记录装置。

2 各功能结构设计 [2-3]

2.1 提升平台的结构组成

提升平台是该装置的一个主要部分，其主要功能是提供阀体一个能自由上下的平台，其构成主要有下述一些零部件：

小车装配体 （小车平台、车轮、车轮销）——放置阀体的平台；

丝杆——提供平台上下运行的传动部件；

小车支撑装置——小车平台与丝杆间的连接装置；

轨道——提供平台运动路径；

轴承——丝杆端面处连接部件；

槽钢——提供支撑作用，同时由于丝杆的高速转动有一定危险性，故其起保护作用。

2.2 传动装置

2.2.1 传动装置的结构组成

传动装置主要由电机和齿轮组成[4-5]。对于传动装置的结构在设计之初主要有两套方案，具体结构如图1和图2所示。通过分析比较，最终选择传动装置Ⅰ作为该装置的传动结构，其理由主要是基于以下几个方面考虑：

图1 传动装置Ⅰ

图2 传动装置Ⅱ

（1）出于传动比的考虑。通过计算确定了传动比u=1，故不需要设置如传动装置Ⅱ所示的减速机构。

（2）出于丝杆旋转方向的考虑。为了保证一组丝杆的运动是同一个时针方向，以确保小车平台的上下运动，传动装置Ⅰ设置了一个惰轮，巧妙地解决了这个问题。所谓惰轮，就是其作用不改变传动比只改变传动方向的一个齿轮。而传动装置Ⅱ中的两个丝杆的运动方向是得不到保证的。

（3）出于顶箱空间的考虑。传动装置Ⅰ把电机设计在顶箱的后部，保证了顶箱前部有较大空间以便于前部集中仪表盘的安装，同时给中间的压紧气缸的安装保留足够的位置。而传动装置Ⅱ则未能充分考虑此问题。

2.2.2 传动参数的设计与计算

传动参数的设计计算如表1所示。传动参数主要包括传动装置提供的功率以及传动比。

表1 传动参数

2.3 水平移动平台的结构组成

水平移动平台主要由小车平台、气缸和轨道组成，如图3所示。

图3 水平移动平台

2.4 压紧装置的设计

2.4.1 四周压紧装置

四周压紧装置主要包括压紧气缸、气缸连接法兰、螺栓、压紧法兰和O形密封圈等零部件。

依据阀体的接管法兰以及工艺要求设计的法兰盘如图4所示。其中锥形凸台的设计目的是为了方便找中心。此处的密封系采用O形密封圈进行线性密封。

图4 法兰盘

2.4.2 上端压紧装置

上端压紧装置主要由压紧法兰、一对锁扣、双行程气缸、压紧气缸和O形密封圈等零部件构成，如图5所示。

其中气杆与法兰件设计成一连接结构，其上端与气杆采取螺纹连接，以便于系列法兰的替换。其下端与法兰焊接连接。

锁扣作为该装置的一个创新设计部件，它的设计要求是在压紧试件时保证同步相向运动。它的具体结构如图6所示。

图5 上端压紧装置

图6 锁扣

2.4.3 下端压紧装置

下端压紧装置是整套装置的一个核心部件，它由一组法兰盘组成，法兰盘之间是可拆卸的。该装置提供的水压试验平台适用于DN100、DN80、DN50三个系列的球阀。为了解决不同球阀中心高度不一致的问题，设计了一种 “宝塔式”的底法兰盘，各法兰盘之间采用O形密封圈密封，具体结构如图7所示。

图7 下端压紧装置

2.5 水箱的设计

水箱分为上下两个部分。对于上水箱而言，由于其四周需要安装压紧法兰，故在其四周开设四个孔。水槽高度由阀体中心高度确定。另外考虑到操作工艺的要求，上水箱四周气缸的安装孔必须具有一定的同心度，以保证法兰盘装配的精度要求。上水箱底部设置四个进水孔和一个阀体的打气孔。

对于下水箱而言，需要开一个阀体打气孔、一个压水的进气孔和一个放空孔。上下水箱之间用焊接连接。焊接方法可以选择角焊，但必须保证焊接性能。焊接完成后，需要检验上下水箱的焊接密封性。

由于水箱长期浸在水中，所以必须考虑其防锈处理。综合考虑厂方需要和工程实际应用需要，确定选用不锈钢材料。

2.6 干燥装置

由于做完气压试验的工件是潮湿的，需要立即吹干，否则易生锈，故这个干燥装置必不可少。干燥装置主要由一个打气孔和一个均布气孔的气孔罩组成，其结构如图8所示。

图8 干燥装置

干燥装置的主要特点是其气孔的设置与布局。气孔为一周直孔和一周斜孔错位布置，目的是使吹干的效率更高。另外一个特点是该装置的安装位置考虑周到，安装位置如图8所示，这样的安装位置便于一边转移试验完毕的阀体，一边吹干，两者同步完成，节约了时间，提高了工作效率。

2.7 底座支撑和坡板

图9是底座支撑与坡板的装配体图。这部分主要由两个37°的坡板、一个支持平台和四个橡胶轮组成。其中坡板与底座支撑之间采用铰链连接。坡板的用途是提供一个运送工件到达试验平台的路径，选用铰链连接是为了节约空间，在装置不使用时可以将两块坡板折叠。安装四个橡胶轮的目的是方便装置的移动。此外，在选用车轮时充分体现了人性化的设计，其中的一排轮还设置成了万向轮且带有脚刹装置。

图9 底座支撑和坡板

2.8 显示、打印、记录装置

为了适应现如今产品质量检测的规范化要求，特意设计了这样一组集显示、打印、记录的配套装置。其主要由下述部件组成：

触摸屏——实时显示试验数据，提供一个集成操作平台；

照相机——实时拍照，记录试验现象；

打印机——记录数据，汇集报表。

另外，在安装这组设备的时候，为了方便操作人员观察记录试验数据，该装置可以旋转一定角度。但是为了充分考虑试验装置的安全性，保证试验装置的稳定运行，该装置的旋转角度是有位置区间限制的。为此设计了一个直臂手并把它用轴承连接，最终焊接在槽钢的背部，以此确定其两个极限位置始终与槽钢背部在同一平面上，避免其旋转至水箱正上方而导致整套试验装置无法正常运行。

2.9 顶箱

为了保证整套装置平稳运行，装置的顶端设置一顶箱。一方面是为了提高结构的紧凑性，另一方面是对传动装置起到一定的保护作用。在顶箱的正面安装了一个集中仪表盘作为辅助显示，便于在特殊情况下操控装置的运行。对于顶箱与顶箱底板之间的连接，采用翻边螺钉连接。采用这样的连接便于拆装与检修。

3 水压试验操作流程

该试验装置作为一个自动化装置其总装配图如图10所示，其运行操作主要有以下几个步骤[6]：

（1）放置试件，通过其他运输装置把试验阀体沿坡板运送到小车平台。

（2）接通电源，传动装置运行，提升试验阀体，直到小车轨道与上水箱上端轨道吻合为止，电机停止运行。

（3）在电机完全停止运行之后，通过气缸推动小车平台水平移动，直到气缸完成其行程为止。

图10 装配体

（4）小车平台停止移动，上端压紧气缸驱动上端压紧法兰盘向下运行至与阀体的法兰面完全重合处，同时锁紧锁扣。

（5）小车气缸驱动小车往回移动，在小车平台完全离开上水箱上方时，上端压紧气缸继续携带阀体往下运动，直到阀体的下端法兰与上水箱底部法兰盘完全吻合。

（6）打开下水箱进气孔，然后通气；利用气压把下水箱中的水压到上水箱中，至水位高于阀体最顶部为止，然后关闭阀门。

（7）打开进气阀，往阀体内充气，至压力表显示预设的试验压力为止。

（8）保压，持续一段时间观察试验现象，同时拍照记录试验数据。

（9）完成试验，卸下阀体内部压力，接着打开下水箱进气孔的阀门泄压，直至上水箱中的水全部回流至下水箱为止。

（10）提升试验阀体至上水箱上端，接着驱动右端小车平台至上水箱上端，放置阀体于小车平台之上，同时解开锁扣。

（11）右端小车平台往回运动至初始位置，接着电机开始运行，同时吹干装置开始工作。

（12）试件阀体吹干，运输装置运走阀体，然后重复下一个阀体的试验。

4 结论

近年来球阀发展较快。球阀的特点是耐腐蚀、安全性高、重量轻、成本低。随着城市管网建设的发展，球阀的应用更为广泛，因而保证球阀质量的试验装置也愈加显得重要。本文所设计的天然气调节球阀阀体半自动气压试验装置适用的球阀公称直径为DN50～100 mm，工作压力≤1.0 MPa。这就满足了系列化、批量化球阀阀体试验的现实要求。

今后，球阀试验装置将会在下述几个方面进一步发展： （1）试验球阀的阀体公称直径范围和试验压力范围将继续扩大； （2）在传动装置方面，由于机械结构的创新，必将出现新的结构形式来替代如今的电机齿轮传动； （3）由于自动化程度的不断提高，控制技术的长足进步，必将出现更精确更平稳的控制方案。

[1] 陆培文.阀门选用手册 [M].北京：机械工业出版社，2001.

[2] 章华友，晏泽荣.球阀设计与选用 [M].北京：北京科学技术出版社，1994.

[3] 刘德俊，王越，王雪梅.呼吸阀阀体水压试验分析[J].辽宁化工，2005，34(2)： 87-89.

[4] GB 150—1998钢制压力容器 [S].

[5] 范英俊，孙韶华，薛纪二，等.球铁管水压试验机的设计与研究 [J].中国铸造装备与技术，2002（2）：33-35.

[6] 陈康宁.机械控制工程基础 [M].西安：西安交通大学出版社，1999.