CN109323008B - 一种大落差输油管道低洼处防水击蝶阀及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大落差输油管道低洼处防水击蝶阀及方法，蝶阀布置在管道低洼处风险管段，在管道发生泄漏等危险工况时蝶阀起到紧急关断事故管段的作用，由手柄力矩变向和分散单元、阀杆齿轮传动速率限制单元、阀杆力矩大小控制单元构成，针对操作人员关闭输油管道低洼处蝶阀速率过快导致的管道内原油流速和压力突变进而诱发的水击问题，从蝶阀手柄力矩消减、阀杆传动速率限制、阀杆传动力矩控制三方面对蝶阀进行设计，以实现在关阀过程中减轻操作人员对手柄的施力、限制阀杆转动速率和控制阀杆受力的功能，提高蝶阀在大管径输油管道低洼处的适用性，确保关阀速率控制在合理范围内以避免水击现象，延长蝶阀使用寿命。

Description

一种大落差输油管道低洼处防水击蝶阀及方法
技术领域
本发明涉及一种大落差输油管道低洼处防水击蝶阀及方法，属于原油、成品油长距离管输技术领域。
背景技术
长距离输油管道输送压力高，经过丘陵、山区等自然屏障时，依地形敷设，形成V字形大落差管段，高压原油沿大落差下坡管段冲击低洼处，易发生管道腐蚀穿孔、断裂泄漏等风险。蝶阀通常设置在输油管道低洼处，在管道出现高风险运行工况或事故时起到切断和节流的作用。
蝶阀通过旋转管道内的阀盘控制管道流通面积，由于阀盘旋转时受到原油施加的力矩相反，因此手动操作蝶阀遇到流体阻力小，阀盘启闭速度快。但是现场一些未经专业训练的操作人员往往会对蝶阀手柄施加超出合理范围的转向力，从而导致蝶阀在管道内的阀盘过快关闭，引起管道内原油流速和压力的剧烈变化，诱发水击现象。
目前，国内外已公开发表的防止水击发生或水击泄压阀门专利主要包括：
1.中国专利CN 107842617 A公开了一种防水锤蝶阀，通过将普通蝶阀的阀盘改造成定区间弹性变形结构，在一定的空间中吸收水锤冲击峰值。
2.中国专利CN 104819342 A和中国专利CN 204592458 U分别设计了带有位置传感器和压力传感器的水击泄压阀，通过传感器对管道介质输送参数的测定来控制阀门的开关动作，进行水击泄压。
3.美国专利US 107850270 A提出了一种包括主阀和旁通阀的防水击止回阀，当输液管道由于事故工况停输后管内流体速度降为零时，主阀自动关闭，而旁通阀可以防止阀门下游液体回流。
4.美国专利US 20170328485 A1发明了一种减缓水击冲击的止回阀，阀门包括主阀盘和辅助阀盘，辅助阀盘面积和关闭速率小于主阀盘，流体依次通过辅助阀盘和主阀盘，通过两个阀盘间的节流通道实现对水击压力的消减。
从以上公开专利检索结果可以看出已有防水击阀门存在的不足主要有：
1.现有防水击阀门主要通过改变阀门的内部结构进行水击压力波的吸收和消减，无法防止阀门关闭速率过快引起的水击现象。
2.现有防水击阀门主要通过配备压力传感器等监测系统，确定开关阀门的时机，但未实现对开关阀门速率的控制。
3.现有部分防水击阀门在管内流体速度降为零后再进行关阀动作以防止水击，耗时较长，而针对输油管道道发生穿孔和泄漏等事故工况时，需要在较短时间内紧急关断，故上述阀门并不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大落差输油管道低洼处防水击蝶阀及方法，从确保低洼处管段安全、平稳运行的高度出发，进行防水击蝶阀的结构设计，提出合理的防水击方法，在动作蝶阀关闭时控制其关闭速率，避免水击现象的发生。
本发明主要解决以下问题：
(1)针对蝶阀关闭过程阀杆转动速率过大的问题，通过设计不同轮齿比和大小的齿轮盘，限制了阀杆传动速率；
(2)针对蝶阀关闭过程阀盘受到较大力矩而转动过快的问题，通过设计由主动盘、离合钢球、从动盘构成的力矩控制装置，将阀杆施加在阀盘上的力矩控制在合理范围内；
(3)通过限制蝶阀阀杆转动速率和传动力矩，控制蝶阀阀盘关闭速率，避免现场缺乏经验的操作人员过快的关闭蝶阀引起高压原油对阀盘的剧烈撞击，导致管道内压力的剧烈波动而发生水击现象。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，包括手柄1、螺丝轴2、第一齿轮盘3、齿轮箱4、结合凸起5、第二齿轮盘6、第三齿轮盘7、滑动槽8、第一阀杆9、第四齿轮盘10、第五齿轮盘11、第二阀杆12、主动盘13、离合钢球14、从动盘15、弹簧16、阀盘17、管道18。
手柄1与齿轮箱4内螺丝轴2相连，所述螺丝轴2通过结合凸起5连接第一齿轮盘3与第二齿轮盘6，所述第一齿轮盘轮3与第二齿轮盘6同心同轴，所述第二齿轮盘6与第三齿轮盘7通过齿轮耦合连接，所述第三齿轮盘7固定于第一阀杆9上部，所述第一阀杆9的底部固定第四齿轮盘10，所述第四齿轮盘10通过齿轮耦合连接第五齿轮盘11，所述第五齿轮盘11固定于第二阀杆12顶部，所述第二阀杆12与主动盘13相连，所述主动盘13与从动盘15形成的凹槽间嵌入离合钢球14，所述从动盘15通过弹簧16与阀盘17相连，所述阀盘17位于管道18内。
所述的大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，阀盘17适用的管道规格DN 350～DN1000，管道压力0.5MPa～9MPa，管道温度-20℃～70℃。
所述的大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，第二齿轮盘6齿数70～80，分度圆直径15mm～25mm，第三齿轮盘7齿数26～32，分度圆直径50mm～63mm。
所述的大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，第四齿轮盘10齿数82～100，分度圆直径20mm～38mm，第五齿轮盘11齿数36～48，分度圆直径50mm～80mm。
所述的大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，弹簧16的扭矩0N·m～260N·m。
输油管道低洼处蝶阀防水击方法：
a、蝶阀手柄力矩变向和分散：转动手柄1带动螺丝轴2旋转，使得结合凸起5上的第一齿轮盘3沿滑动槽8直线移动，使得第一齿轮盘3的直线运动变为第二齿轮盘6的旋转运动；
b、阀杆传动速率一级限制：第二齿轮盘6与第三齿轮盘7通过齿轮啮合传动，带动第一阀杆9转动，由于第二齿轮盘6与第三齿轮盘7轮齿比例与分度圆直径不同，关闭蝶阀的过程中，第二齿轮盘6旋转圈数大于第三齿轮盘7与第一阀杆9的旋转圈数，从而限制了第一阀杆9的转动速率；
c、阀杆传动速率二级限制：第一阀杆9旋转带动第四齿轮盘10转动，第四齿轮盘10与第五齿轮盘11通过齿轮啮合传动，带动第二阀杆12转动，由于第四齿轮盘10与第五齿轮盘11轮齿比例与分度圆直径不同，关闭蝶阀的过程中，第四齿轮盘10旋转圈数大于第五齿轮盘11与第二阀杆12的旋转圈数，从而限制了第二阀杆12的转动速率；
d、阀杆转动力矩大小控制：第二阀杆12转动带动主动盘13旋转，主动盘13与从动盘15凹槽间嵌入了离合钢球14，旋转的主动盘13通过离合钢球14带动从动盘15旋转，从动盘15旋转使弹簧16产生扭矩，扭矩作用在阀盘17上，使阀盘17旋转以控制管道18流通面积，弹簧16扭矩超过上限时，会导致离合钢球14脱离主动盘13的上部凹槽，断开主动盘13与从动盘15的连接，避免阀杆转动力矩过大；
e、水击防止：由于限制了第一阀杆9和第二阀杆12的转动速率，控制了阀杆12扭矩大小，从而控制了阀盘17的转动速率在合理范围内，避免操作人员对手柄1旋转速率过快引起阀盘17关闭速率过快，防止了管道18内压力急剧波动而诱发的水击现象。
该发明的有益效果：
防水击蝶阀由手柄力矩变向和分散单元、阀杆齿轮传动速率限制单元、阀杆力矩大小控制单元构成，针对操作人员关闭输油管道低洼处蝶阀速度过快导致的管道内原油流速和压力突变进而发生的水击问题，从蝶阀手柄力矩消减、阀杆转动速率限制、阀杆传动力矩大小控制三方面对蝶阀进行设计，以实现在关阀过程中减轻操作人员对手柄的施力大小、限制阀杆转动速率和控制阀杆力矩大小的功能，提高蝶阀在大管径输油管道低洼处的适用性，确保关阀速率控制在合理范围内以避免水击现象，延长蝶阀使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例中大落差输油管道低洼处蝶阀过快关闭产生水击示意图。
图2是本发明实施例中防水击蝶阀结构示意图。
图3是本发明实施例中防水击蝶阀关闭状态下手柄力矩变向和分散单元结构示意图。
图4是本发明实施例中防水击蝶阀全开状态下手柄力矩变向和分散单元结构示意图。
图5是本发明实施例中防水击蝶阀阀杆齿轮传动速率限制单元结构示意图。
图6是本发明实施例中防水击蝶阀阀杆力矩控制单元正常传动结构示意图。
图7是本发明实施例中防水击蝶阀阀杆力矩控制单元中断传动结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
实施例
本实施例中，图1为大落差输油管道低洼处蝶阀过快关闭产生水击示意图。操作人员过快关闭低洼处蝶阀导致高压原油在短时间内冲击蝶阀阀盘，产生反弹水击波，与上游高压原油碰撞，造成管道内原油流速的急剧变化和管内压力剧烈波动，使得管道和管道设备剧烈振动，易造成管道超压和设备损坏并诱发安全事故，必须引起足够的重视。
图2为防水击蝶阀结构示意图。包括手柄1、螺丝轴2、第一齿轮盘3、齿轮箱4、结合凸起5、第二齿轮盘6、第三齿轮盘7、滑动槽8、第一阀杆9、第四齿轮盘10、第五齿轮盘11、第二阀杆12、主动盘13、离合钢球14、从动盘15、弹簧16、阀盘17、管道18。
手柄1与齿轮箱4内螺丝轴2相连，所述螺丝轴2通过结合凸起5连接第一齿轮盘3与第二齿轮盘6，所述第一齿轮盘轮3与第二齿轮盘6同心同轴，所述第二齿轮盘6与第三齿轮盘7通过齿轮耦合连接，所述第三齿轮盘7固定于第一阀杆9上部，所述第一阀杆9的底部固定第四齿轮盘10，所述第四齿轮盘10通过齿轮耦合连接第五齿轮盘11，所述第五齿轮盘11固定于第二阀杆12顶部，所述第二阀杆12与主动盘13相连，所述主动盘13与从动盘15形成的凹槽间嵌入离合钢球14，所述从动盘15通过弹簧16与阀盘17相连，所述阀盘17位于管道18内。
图3和图4分别为为防水击蝶阀关闭状态和全开状态下手柄力矩变向和分散单元结构示意图。转动手柄1带动螺丝轴2旋转，使得结合凸起5上的第一齿轮盘3沿滑动槽8直线移动，使得第一齿轮盘3的直线运动变为第二齿轮盘6的旋转运动，实现了蝶阀手柄力矩变向和分散，第二齿轮盘6与第三齿轮盘7通过齿轮啮合传动，带动第一阀杆9转动，并最终传动至阀盘17实现蝶阀的关闭和开启；由于第二齿轮盘6与第三齿轮盘7轮齿比例与分度圆直径不同，阀门关闭过程中，第二齿轮盘6旋转圈数大于第三齿轮盘7与第一阀杆9的旋转圈数，从而限制了第一阀杆9的转动速率，实现了一级阀杆传动速率限制，第二齿轮盘6齿数70～80，分度圆直径15mm～25mm，第三齿轮盘7齿数26～32，分度圆直径50mm～63mm。
图5为防水击蝶阀阀杆齿轮传动速率限制单元结构示意图。第一阀杆9旋转带动第四齿轮盘10转动，第四齿轮盘10与第五齿轮盘11通过齿轮啮合传动，带动第二阀杆12转动，由于第四齿轮盘10与第五齿轮盘11轮齿比例与分度圆直径不同，阀门关闭过程中，第四齿轮盘10旋转圈数大于第五齿轮盘11与第二阀杆12的旋转圈数，从而限制了第二阀杆12的转动速率，第四齿轮盘10齿数82～100，分度圆直径20mm～38mm，第五齿轮盘11齿数36～48，分度圆直径50mm～80mm。
图6为防水击蝶阀阀杆力矩控制单元正常传动结构示意图。第二阀杆12转动带动主动盘13旋转，主动盘13与从动盘15凹槽间嵌入了离合钢球14，旋转的主动盘13通过离合钢球14带动从动盘15旋转，从动盘15旋转使弹簧16产生扭矩，扭矩作用在阀盘17上，使阀盘17旋转以控制管道18流通面积，阀盘17适用的管道规格DN 350～DN 1000，管道压力0.5MPa～9MPa，管道温度-20℃～70℃。
图7为防水击蝶阀阀杆力矩控制单元中断传动结构示意图。弹簧16扭矩超过上限时，会导致离合钢球14脱离主动盘13的上部凹槽，断开主动盘13与从动盘15的连接，避免阀杆转动力矩过大，实现阀杆转动力矩大小控制，弹簧16的扭矩为0N·m～260N·m。
由于限制了第一阀杆9和第二阀杆12的转动速率，控制了阀杆12的扭矩大小，从而控制了阀盘17的转动速率在合理范围内，避免操作人员对手柄1旋转速率过快引起阀盘17关闭速率过快，防止了管道18内压力剧烈波动而诱发的水击现象。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，其特征在于：包括手柄(1)、螺丝轴(2)、第一齿轮盘(3)、齿轮箱(4)、结合凸起(5)、第二齿轮盘(6)、第三齿轮盘(7)、滑动槽(8)、第一阀杆(9)、第四齿轮盘(10)、第五齿轮盘(11)、第二阀杆(12)、主动盘(13)、离合钢球(14)、从动盘(15)、弹簧(16)、阀盘(17)、管道(18)；
手柄(1)与齿轮箱(4)内螺丝轴(2)相连，所述螺丝轴(2)通过结合凸起(5)连接第一齿轮盘(3)与第二齿轮盘(6)，所述第一齿轮盘(3)与第二齿轮盘(6)同心同轴，所述第二齿轮盘(6)与第三齿轮盘(7)通过齿轮耦合连接，所述第三齿轮盘(7)固定于第一阀杆(9)上部，所述第一阀杆(9)的底部固定第四齿轮盘(10)，所述第四齿轮盘(10)通过齿轮耦合连接第五齿轮盘(11)，所述第五齿轮盘(11)固定于第二阀杆(12)顶部，所述第二阀杆(12)与主动盘(13)相连，所述主动盘(13)与从动盘(15)形成的凹槽间嵌入离合钢球(14)，所述从动盘(15)通过弹簧(16)与阀盘(17)相连，所述阀盘(17)位于管道(18)内；
所述防水击蝶阀采用的防水击方法为：
a、蝶阀手柄力矩变向和分散：转动手柄(1)带动螺丝轴(2)旋转，使得结合凸起(5)上的第一齿轮盘(3)沿滑动槽(8)直线移动，使得第一齿轮盘(3)的直线运动变为第二齿轮盘(6)的旋转运动；
b、阀杆传动速率一级限制：第二齿轮盘(6)与第三齿轮盘(7)通过齿轮啮合传动，带动第一阀杆(9)转动，由于第二齿轮盘(6)与第三齿轮盘(7)轮齿比例与分度圆直径不同，关闭蝶阀的过程中，第二齿轮盘(6)旋转圈数大于第三齿轮盘(7)与第一阀杆(9)的旋转圈数，从而限制了第一阀杆(9)的转动速率；
c、阀杆传动速率二级限制：第一阀杆(9)旋转带动第四齿轮盘(10)转动，第四齿轮盘(10)与第五齿轮盘(11)通过齿轮啮合传动，带动第二阀杆(12)转动，由于第四齿轮盘(10)与第五齿轮盘(11)轮齿比例与分度圆直径不同，关闭蝶阀的过程中，第四齿轮盘(10)旋转圈数大于第五齿轮盘(11)与第二阀杆(12)的旋转圈数，从而限制了第二阀杆(12)的转动速率；
d、阀杆转动力矩大小控制：第二阀杆(12)转动带动主动盘(13)旋转，主动盘(13)与从动盘(15)凹槽间嵌入了离合钢球(14)，旋转的主动盘(13)通过离合钢球(14)带动从动盘(15)旋转，从动盘(15)旋转使弹簧(16)产生扭矩，扭矩作用在阀盘(17)上，使阀盘(17)旋转以控制管道(18)流通面积，弹簧(16)扭矩超过上限时，会导致离合钢球(14)脱离主动盘(13)的上部凹槽，断开主动盘(13)与从动盘(15)的传动，避免阀杆转动力矩过大；
e、水击防止：由于限制了第一阀杆(9)和第二阀杆(12)的转动速率，控制了阀杆(12)的扭矩大小，从而控制了阀盘(17)的转动速率在合理范围内，避免操作人员对手柄(1)旋转速率过快引起阀盘(17)关闭速率过快，防止了管道(18)内压力急剧波动而诱发的水击现象。
2.根据权利要求1所述的大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，其特征在于：阀盘(17)适用的管道规格DN 350～DN 1000，管道压力0.5MPa～9MPa，管道温度-20℃～70℃。
3.根据权利要求1所述的大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，其特征在于：第二齿轮盘(6)齿数70～80，分度圆直径15mm～25mm，第三齿轮盘(7)齿数26～32，分度圆直径50mm～63mm。
4.根据权利要求1所述的大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，其特征在于：第四齿轮盘(10)齿数82～100，分度圆直径20mm～38mm，第五齿轮盘(11)齿数36～48，分度圆直径50mm～80mm。
5.根据权利要求1所述的大落差输油管道低洼处防水击蝶阀，其特征在于：弹簧(16)的扭矩0N·m～260N·m。
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