对低温拉断阀的拉断力的探讨

王昊

摘要：首先阐述了拉断阀的在流体参数介质处理中的实际应用状况,还分析了有关规范中对拉断阀门的拉裂力矩的确定因素与数据来源,并指出了在LNG充装中,GB50156规范的要求也是有待商榷的,还对充装制动软管用的低压拉裂阀门中适用的拉裂力矩进行了分析测算。

关键词：LNG；低温；拉断阀；拉断力

一、拉断阀的标准要求

对于拉断阀,保证密封性之外,适当的拉断力也是很重要的,过大,起不了防止软管的效果；过小,也会引起误动作。以往,旧版的国家标准中仅对汽车加油泵有具体的安装拉断阀的规定,甚至不少LNG车也不能安装拉断阀,但在更新后的GB50156-2012版本,针对于常规的车辆燃油增速装置,包括换料、LPG、CNG、LNG等,都要求了必需安装拉断阀,换料的橡胶软管的拉断力为800~1500N,而LPG、CNG、LNG软管的拉断力为400-600N(同时CNG卸气柱为600~900N)。

实际操作中,对于在LNG充装管道中保护软管的低温拉断阀来说,此标准中规定的400~600N拉断力是比较保守的,因素包括:

1.LNG充装管通常使用的是带金属网套的不锈钢波纹管,和普通橡胶金属软管相比,由于它比重大,刚度强,所以操作压力也相对较大,而标准规定的过小拉断压力易造成拉断阀误动作。

2.普通LNG,从管理用房充装到LNG站内罐的水管口径为DN25,而从槽车运输场充装到LNG站的水管口径为DN50,而这种口径的不锈耐酸钢波纹管,自身硬度极高,无橡胶水管所可比。

所以,适当的设置拉断压力,不但能够减少了加工困难,使低压密封更为安全可靠,而且能够使低压拉断阀门具有较强的环境适应性。要想确定一种合适的拉断力,还需要掌握GB50156规定拉断力参数的依据[1]。

二、常温拉断阀的分离拉力

尽管GB50156-2012中对拉断能力有所规定,但是并无有关数据来源的说明,而2006版本中也仅提及LPG拉断阀的最大拉断能力,400-600N则是依据国外规范所提出的,至于其他介质的最大拉断阀参数也未有明确出处。

但是,这些标准的换料软管应该满足GB10543-2003的要求,如果按照GB10543中出水带的设计条件,还是能够测算出水带可以接受的应力,并由此计算拉断阀的设计条件。

三、低温拉断阀拉断力的确定

为了确定低温拉断阀的最大拉断压力,需要预先知道所充装软管的尺寸系数,以估计其所能够承受的最大拉力。

在以LNG为能源的汽车中,中国国内的最主流的的LNG气瓶产品的设计工况压强是1.59MPa,而实际的充装LNG时工况压强大概是0.65MPa。按照GB50156规定,LNG拆车软管的设计工作公称压力不能低于汽车卸载系统工作压力的二倍,而最小设计爆破压力也不应低于公称压力的4倍。所以将软管的最大设计压力确定为1.6MPa,而最小设计爆破压力6.4MPa。

LNG装卸的金属软管,因在-162℃的介质温度下,所以通常使用带金属网套的奥氏体不锈钢制波纹水带。因为充装方式有所不同,因此LNG软管口径也是有所不同的,对于气体由槽车输至LNG站装卸车内的口径通常为DN50,而LNG加气砼站对车内气瓶的充装方式通常为DN25。因此波纹水带软管也必须满足GB/T14525的规定。

文献二说明,对带金属网套的预应力箍筋,除了波纹管自身的硬度能够耐受拉力,用作保护的金属网套,在金属预应力箍筋和橡胶水带上所发挥的功能是有所不同的,因为金属预应力箍筋侧向刚性比纵向刚度高得多,所以介质受压产生的一大部分侧向的载荷是由预应力箍筋承担的,而轴向的牵拉载荷就大部分是由金属丝网所承担的[2]。

所以,金属软管能够承载的最大拉力,既要有赖于波纹金属软管自身的抗拉强度和金属网套的硬度,又受制于金属软管内的介质推力。

用作保护软管的最佳拉断阀门,所容许的最高拉断力,必须比水带自身所容许的最大拉力小,并且需要考虑介质压力对给水带产生的较大推动力,而水带的轴向压力则基本上是靠金属丝网套所承担,所以,确定拉断阀门的最高拉断力,需要参考金属网套容许的最大拉力(或者说与波纹管容许抗拉强度的相比较小值),再乘以介质推动力。

四、工程设计中的拉断力的选择

1.国外同类产品的拉断力设置

我们也可以看国外的同类产品是怎么使用拉断力的。

Roman Seliger公司的ABV型拉断阀,口径是DN50~100,在1.6MPa介质压强下拉断力一般是在5.6~11.5kN时,大约是使用软管承受抗拉强度的0.5倍。

TODO的低压拉断阀,孔径范围为DN50~DN80,可依据情况设置拉断压强,在无介质压力作用时最小设计的拉断压强约为12.5kN。在有介质压力下,拉断阀的外观可使拉断水压可以适当的下降。

在中国境内低温建筑行业,应用较多的还是KLAW的拉断阀系统,如图,根据该企业的产品规格按照国际标准的拉断安全螺栓尺寸设定了几档拉断压力尺寸,最少的为20kN

[3]。

2.工程设计中的拉断力的选择

参考前述,加油泵拉断阀的最大拉断力矩安全系数为0.5-。本文中也规定了低温拉断阀的标准安全系数是0.5-,但其标准参考拉力也可以是比较脆弱的金属网套可以承受的拉力。

LNG充装时,因充装作用不同,所以,水带口径也是不同的,对于由槽车运送到LNG站装卸车上的DN50水带,其拉断压力一般设定在12.5-25kN之间的;对由普通LNG车充装的LNG燃料车的DN25水带,其拉断压力一般设定在6-12kN时。

在液氧、液氮等低温液体的储存与运输充装中,也可参照本文的估算与拉断压力。

关于使用安全拉断螺钉构成的拉断阀门,因为拉断螺钉的制作条件相当高,而且原材料国家标准中所规定的机械性能均仅是其保证值,所以对每一批的原材料产品均应该作机械性能测试,而拉断阀门产品则应该作实际工作的抽样性破坏测试。

参考文献：

[1]《金属软管编织网套参数的确定》；柳庆喜，《管道技术与设备》2015年06期.

[2]《最新金属软管设计制造新工艺新技术及性能测试实用手册》，中国知识出版社，2016年9月.

[3]《工艺管道ASMEB31.3实用指南》，化学工业出版社，2016年1月.

 作者简介：王昊（1991.03）男、民族：汉族，籍贯：辽宁省、抚顺市；职称：工程师、学历： 硕士、研究方：向油气储运工程。