超低溫球閥的結構設計特點及應用范文

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摘要：本文簡要介紹了用于家用自來水管道及地暖管道的超低溫球閥的結構設計特點和應用。此類球閥屬于中低壓球閥，由于北方會存在溫度較低的時候，容易將閥體凍裂，根據球閥的此種應用需求，本文對球閥抗結冰結構的設計和材料的選用，以及相應的分子力情況進行了分析。

關鍵詞：超低溫球閥；抗結冰；結構設計；材料選用；力學分析

引言

在日常的生產和生活中閥門無處不在，所有的輸水管道都離不開各種閥門的控制，球閥具有結構簡單、安裝空間小的優點，并且球閥采用介質力密封，不宜受到外界驅動力的影響，對于各種工況都較為適用，被廣泛應用，給人們的生產和生活帶來的極大的方便。一般的普通閥門主要是由閥體、閥蓋、閥球和閥桿等部分組成的，閥門主要通過閥球的旋轉進行啟閉來對水的流動進行控制，但是由于在冬季人們使用閥門的時候，如果閥門或者管道的保溫措施做得不夠好，同時管道和閥門內部間隙殘留部分水，常常會發生由于氣候寒冷、管道水發生凝固和膨脹，從而將閥門漲破，在北方寒冷季節此種現象更為普遍。閥門產生報廢不僅會造成一定的經濟損失，最主要的會使得管道內的水失去控制，從而產生大量的泄漏，對正常的生產和生活造成影響。嚴重時會發生水災，對人們的生命和財產安全造成一定的威脅。在北方地區的一些自來水公司，一旦發生此類事故，都會在冬季組織相應的搶修進行處理。可見此類事故不僅會造成他人財產的浸漬和房屋的塌陷，嚴重時還會引起訴訟和巨額賠償的支付，從而耗費大量的人力、物力和財力。基于此種現狀，近年來根據相關的工程設計要求和工藝操作安全方面的需求，國內外的閥門供應商對于超低溫球閥在不同部位的結構設計的研究一直在進行，以求針對其結構設計方面進行相應的改進，從而使其使用性更加優良。本文對北方年溫差較大地區內超低溫球閥的抗結冰結構設計和相應的材料選用進行了分析，以便為類似的超低溫球閥的選用提供參考。

1超低溫球閥的結構

此種超低溫球閥的結構為在閥體兩端均設計有一個胎腔，胎腔內裝有一個由橡皮制成的氣胎，此種氣胎有些類似于自行車內胎，胎體內充滿氣體，因此整個胎體具有較強的伸縮能力。如圖1為此種閥體的結構示意圖，圖內的①為閥體、②為胎腔、③為銅環、④為氣胎；圖2為此種閥體的正面剖視圖，圖3、圖4和圖5分別為相應的A-A剖視圖、氣胎結構圖和B-B剖視圖。此種超低溫球閥在進行組裝的時候，通過圖2中的②胎腔與①閥體連為一個整體，而B-B剖面中的r4為氣胎圓環小半徑，此半徑與胎腔腔體小半徑尺寸一致，因此，使用時可以將氣胎④合理裝入胎腔②中。而圖3、圖4中的R1、R2和R4分別為閥門進口半徑、胎腔大圓半徑和氣胎小圓中心線的半徑。

2超低溫球閥的工作原理及工作過程

2.1超低溫球閥的工作原理

此類型的超低溫球閥在抗結冰和防凍裂的方面很巧妙的利用氣體和水的體積隨著溫度的變化而變化的物理特性進行設計，由于水會隨著溫度的降低直至結冰體積會逐漸的膨脹，此過程會對閥門產生很大的壓力，而氣體則與之相反，其會隨著溫度的降低和外界壓力的增大體積會逐漸縮小，并且其他相對于水而言性質畢竟活潑，因此在溫度降低的過程中其收縮程度會遠遠大于水在溫度降低時的膨脹程度，因此閥體內的氣胎在閥體內水結冰而產生膨脹時會迅速發生收縮，從而為水的膨脹讓出更多的空間，完全能夠將冰的膨脹進行容納，從而徹底將冰膨脹部門所產生的壓力進行徹底的消除，以此來對球閥進行保護。相比較而言，對于閥體內沒有設置氣胎的普通閥門，由于閥體內沒有足夠的調節空間，因此在水的溫度降低直至結冰的過程中，體積發生膨脹，膨脹過程所產生的壓力均全部作用在球閥的內壁之上，而球閥是密閉的，這便會給閥體帶來很大的壓力，當閥體無法承受這種壓力的時候便會被漲破，從而便會造成閥門的報廢和管道的泄漏。

2.2超低溫球閥的工作過程

當此類超低溫球閥裝在官道上進行正常使用時，氣胎一致保持鼓起的狀態，當管道內的水隨著溫度的降低發生凝固和膨脹反應時，氣胎內的氣胎會隨著溫度的降低和壓力的增大相應的發生更大幅度的縮小，再加上胎體自身具有很好的伸縮性，便會很好的將水結冰之后發生膨脹的部分進入胎腔內，以此將冰的膨脹對閥體的巨大壓力進行合理抵消，從而對球閥的閥體進行相應的保護，使其不被漲破。而當溫度逐漸恢復時，管內冰塊逐漸融化，水的膨脹體積減小，而胎體內的氣體體積則隨之增大，球閥的結構便逐漸恢復為原狀。

3超低溫球閥的力學分析

下面通過數據計算對于DN50型號的此類超低溫球閥的工作原理進行驗證。

4超低溫球閥的應用

此種超低溫球閥最主要的結構特點就是在普通閥門的基礎上增設了兩胎腔和兩個氣胎，結構并不復雜，因此對流量不會產生任何影響，只是由于閥體的加長和氣胎的增設，其相應的生產成本會有所增加。當時其抗結冰和防凍裂性能等功能與普通閥門相比效果會好很多，對于我國的北方地區乃至世界的寒冷地區中都非常適用。首先對于城市的自來水管道和暖通管道來說，應用此種球閥可以有效減少冬季對于閥門的維護數量，避免泄漏事故和訴訟賠償的發生，以此節省了大量的人力、物力和財力。不僅在生活用水的供水管道方面，對于工業領域，此種球閥也可用求其他工業液體管道的閥門防凍裂，尤其對于北方地區一些季節性較強的工廠或者礦區，冬季會停止生產，應用此種超低溫球閥便能夠很好的避免反復的拆裝，也可以進行良好的供熱防凍，從而節省了大量的開支。其次對于農村的灌溉管道和城市的綠化用管道，由于冬季也會停止灌溉，并且管道一般會埋置比較淺，有的甚至不得不安裝在露天或者野外的地方，應用此種球閥能夠在冬季有效避免將閥門凍裂從而減少大量的損失。

對于人們日常生活方面，此種超低溫球閥更體現出了它的作用，比如在冬季維修停暖或者鍋爐停電的時候，此種球閥可以有效防止暖氣管道上的閥門被凍裂。而當居民冬季外出長期不在家時其防凍裂效果也能夠有效避免水災的災害和損失。即使對于夏季或者一些整年不會發生結冰的地方，此種超低溫球閥的應用也能夠有效緩解管道氣錘或者局部增壓對于管道等設施的影響，從而有效避免爆管等事故的發生。最后對于其他領域此種超低溫球閥亦能發揮其獨有的特殊作用，比如對于科學試驗、長途運輸、地質勘探和科學考查等需要野外作業的工作，工作人員所使用的臨時性儀器、設備及設施都會配有一定的閥門，應用此種閥門可以有效消除閥門由于在室外產生凍裂而帶來的種種不便，保證工作人員工作的順利進行。由此可見，此種抗結冰及防凍裂閥門的適應能力和應用領域要遠遠超出普通閥門，應用前景良好。

5結束語

本文對超低溫球閥抗結冰凍裂性能的結構設計進行了介紹，并且對相應的工作原理及應用進行了闡述，還對此類球閥的抗凍裂性能的計算和分析進行了表述，清楚的表明了此類超低溫球閥的結構設計和原理分析能夠有效適應設定的抗結冰的要求，對于北方地區寒冷季節中的各類液體管道中的應用非常有效，并且結構較為簡單，容易生產和推廣應用。

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作者：劉立中 單位：日豐企業集團有限公司