電磁式燃氣緊急切斷閥應用簡述
1 引言
燃氣緊急切斷閥作為燃氣輸配系統中的一種安全裝置，主要有自力式燃氣緊急切斷閥和電磁式燃氣緊急切斷閥兩種。自力式燃氣緊急切斷閥利用管線內燃氣的自身壓力波動，驅動閥門關閉，多用于無需外界控制，能夠自行快速關閉的場合。但其監控對象僅為壓力，如遇到火災、地震、燃氣微量泄漏等諸多情況時，自力式閥很難滿足使用需要。電磁式燃氣緊急切斷閥，通過外部控制，用電驅動閥門關閉，因此，作為執行器，一般與燃氣泄漏報警器，燃氣壓力傳感器，熱力設備的極限溫度、壓力傳感器，地震報警器等配合使用于安全控制系統中。例如，在建筑物的中央消防報警系統、熱力設備的安全控制器、城市或樓宇地震監控管網、城市或工廠的燃氣供應管網中均可設置電磁式燃氣緊急切斷閥，一旦發生危險情況，可通過監控系統實現對閥門的遠程控制，切斷事故現場的供氣。所以，電磁式燃氣緊急切斷閥廣泛應用于供氣管網系統、燃氣熱能工廠、燃氣鍋爐房及住宅居所等場所。
近年來，國內涌現出眾多的電磁式燃氣緊急切斷閥生產廠。由于生產廠家的科研能力、生產能力參差不齊，加之目前沒有電磁式燃氣緊急切斷閥的相關國家標準、行業標準，各電磁切斷閥廠家一般使用企業內部標準進行設計和檢驗，造成產品質量難以控制，許多粗制濫造的切斷閥流入市場，增加用戶的選用與維修困難，安全可靠性難以保障。
本文就電磁式燃氣緊急切斷閥的基礎知識、設計和使用要點及應用情況進行簡要的介紹，為用戶在選擇和使用中提供一些參考。
2 電磁式燃氣緊急切斷閥釋義
電磁式燃氣緊急切斷閥為一種半自動安全閥，即閥門一旦關閉，不再隨通電（或斷電）狀態而變化，依舊保持其關閉位置，必須通過人工操作才能將閥門回復到開啟狀態。
3 分類
電磁式燃氣緊急切斷閥品種很多，本文按幾個主要部件的不同形式進行分類，并對各種形式的特點進行簡要敘述。
3.1 按應用壓力分
3.1.1 高壓
電磁式燃氣緊急切斷閥很少用于高壓，一方面是因為壓力越高所需控制閥門的驅動力越大，生產成本越高；另一方面，因為對于城鎮燃氣來說，高壓環境一般僅存在于門站和主輸配管線上，此類環境一般要求安全閥在發生事故時，無需進行外部控制即可快速關斷，避免了用電產生的安全隱患，因此，一般在此類環境中使用自力式燃氣緊急切斷閥。
當然，也有在次高壓環境中使用的電磁式燃氣緊急切斷閥，如圖1，利用內部壓力反向推動作用減小了對電磁力的要求，由于采用特殊的密封設計，使其即可用作液態液化石油氣的管道輸送，最大工作壓力可達1.6MPa，又可在低壓氣體環境中良好密封，做到了工作壓力從1.5kPa到1.6MPa的全覆蓋，達到一閥多用的功能。
3.1.2 中低壓
根據電磁式燃氣緊急切斷閥的應用特點，大多數切斷閥應用于中低壓場合。需要注意的是，隨著壓力的降低，對閥門設計和材質的要求也隨之降低，閥門的品牌和種類隨之增多。為選型帶來困難。在選用切斷閥時，需要注意以下幾個關鍵參數：
（1）觸發機構：是決定閥門工作穩定性的主要因素，其選擇見本文3.3；
（2）氣密性：是決定閥門關閉后截流能力的大小，合格的切斷閥應能夠確保閥門關閉后無泄漏；
（3）流通量：是指閥門全開時的流通能力，應盡量選用閥口的流通面積大于或等于公稱通徑的產品。
（4）切斷時間：是指從閥門關閉信號發出到閥門關閉的時間，應盡量選用切斷時間小于或等于1s的產品。
（5）密封材料和殼體材料：閥門可使用的密封材料和殼體材料多種多樣，使用者可根據氣質種類和使用壓力進行選擇。
3.2 按閉合方式分
3.2.1 徑向閉合式
徑向閉合式是指切斷閥的閥口與氣流方向平行，閥瓣的運動方向與流體流向垂直的切斷形式，傳統意義上的切斷閥均采用徑向切斷形式。圖2為徑向式切斷閥簡圖，看圖可知反向推力f反＞正向推力F正，且壓力越高f反與F正的差值越大，則需要的電磁力和彈簧力就越大，這就給閥的設計，尤其是彈簧的設計和鐵心材料的選取帶來困難，所以，這類切斷閥一般用于壓力較低的管道上。
3.2.2 軸向閉合式
軸向閉合式是指切斷閥的閥口與進氣口、出氣口平行，與氣流方向垂直，且閥瓣的運動方向平行于氣流方向的一種切斷形式，如圖3所示。采用此設計，整個切斷機構均處于帶壓氣體內，氣體的正向推力F與反向推力f處處相等，因此，其只需很小的電磁驅動力和彈簧力即可驅動閥門關閉。所以，這類切斷閥適用于壓力較高的管道上，理論上這類切斷閥在其最大承壓的范圍內均可正常切斷。
說明：采用軸向切斷的閥門可稱為軸流式切斷閥，最早出現于國外此類閥門的說明書中，后來國內企業也紛紛采用這一名稱，但現行閥門標準術語中沒有“軸向式”或“軸流式”這一名詞，所以，其正規名稱還有待確認。
3.3 按觸發方式分
3.3.1 直接作用式
電能轉化成的電磁力直接驅動切斷閥的主閥瓣閉合，如圖4所示。這種形式能耗大、體積大、比較笨重，現在市場上已很少見。
3.3.2 間接作用式
間接作用式是指在切斷閥上使用一觸發機構，用較小的電磁力作為原動力，驅動觸發機構動作，從而引發主閥動作。目前，電磁式燃氣緊急切斷閥所用觸發機構大多使用拔銷式、球柵式、棘輪式幾種主要觸發形式，如圖5～7所示。無論具體使用哪種形式都是以一個相對較小的力來產生一個較大的驅動力，驅動閥門動作。下面簡要介紹一下這3種觸發形式。
（1）拔銷式：使用一根動鐵心卡住主閥桿使閥門處于打開位置，在需要切斷閥關閉時，使用電磁線圈產生電磁力拔出動鐵心，使主閥桿落下關閉閥門。
這種結構優點是，結構簡單，易于加工和組裝，生產成本相對較低。但缺點是動鐵心摩擦力相對較大，動作時所需電能相對較多。
（2）球柵式：使用一組限位用圓球（球柵），在動鐵心的擠壓下固定于限位槽內，將閥瓣置于開啟位置，在需要關閉時，使用電磁線圈產生電磁力拔出動鐵心，圓球在閥桿擠壓下彈出限位槽，閥桿連帶閥瓣落下關閉閥門。圓球材質可根據需要選用。
優點是相對于拔銷式，所需電磁力較小，能耗較少。但由于零件較多，且對尺寸要求比較嚴格，為加工和裝配帶來一定的困難。另外，由于限位圓球與閥桿的硬度存在一定差異，若在壓力較高的情況下長時間運行，會在圓球與閥桿接觸面上出現壓痕，增大受力面積，導致阻力的增大，圓球不能脫出限位槽，從而導致不能切斷。因此，球柵式觸發機構多用于低壓切斷閥。
（3）棘輪式：使用一掛鉤機構與動鐵心相連，掛鉤機構利用杠桿原理，以較小的力限制棘輪轉動使閥門處于開啟狀態，在需要關閉時，使用電磁線圈產生電磁力拔出動鐵心，掛鉤機構與棘輪脫開，棘輪在彈簧力作用下驅動閥門關閉。
這種結構利用杠桿原理可有效減小拔銷力。此外，由于采用多級傳動機構，使其能夠將旋轉位移量轉化為軸向位移量，適合應用于軸流式切斷閥。但其體積相對較大，且零件較多，一定程度上增加了制造難度。
另外，雖然也有使用氣動、電動執行機構的閥門作為可控制的管道保護閥門使用，但據其定義和用途來說這種閥門不應屬于緊急切斷閥，且切斷時間較長，造價較高，所以，綜合考慮很少有使用帶執行機構的電動或氣動閥門作為燃氣緊急切斷閥。
3.4 按電磁線圈類型分
電磁式燃氣緊急切斷閥根據電磁線圈的兩種類型，通電工作型和斷電工作型，可分為通電關閉型和斷電關閉型兩種。電磁線圈的分類及工作原理詳見本文4。
3.4.1 通電關閉型
通電關閉型，即所謂“常開閥”，是指電磁線圈接通電源的瞬間，閥門迅速關閉的切斷閥。
3.4.2 斷電關閉型
斷電關閉型，即所謂“常閉閥”，是指電磁線圈切斷電源的瞬間，閥門迅速關閉的切斷閥。
應指出，目前廣泛使用的電磁式緊急切斷閥分類中，所謂“常開閥”、“常閉閥”的名稱，只是一種口頭上的叫法，雖然有不少廠家使用該名稱，但其名稱的準確性還有待確認。因此，在選用電磁式緊急切斷閥時，應特別注意將其與電磁閥對于“常開閥”和“常閉閥”的概念區分開。
電磁式緊急切斷閥中的“常開”、“常閉”，是指電磁線圈的工作型式，是通電工作型還是斷電工作型，其閥體內部的閥口，均長期處于打開狀態，只有在發生事故需要關閉時，閥口才閉合。而電磁閥的“常開”、“常閉”，是指其閥體內部閥口，是處于長期打開狀態還是長期閉合狀態，與所用電磁線圈的工作型式無關。
4 電磁線圈
電磁線圈是用來產生驅動閥門關閉所需的原動力的部件。早先的傳統電磁線圈僅由漆包線繞制而成，存在功耗大，長時間通電容易燒毀線圈、不利于維修維護等問題，且僅為通電工作型，即所謂的常開型。之后，有些廠家在線圈內加入熱敏電阻或溫度開關，對長時間通電的線圈起到限流作用，一定程度上減小線圈功耗，但通電時間仍然較長，沒有很好解決功耗和溫升問題。近些年，隨著電子技術的普及，一些切斷閥生產廠已推出帶有內部控制電路的新型低功耗電磁線圈。此類線圈一經推出便受到許多用戶的歡迎，因為這類線圈不但可將功耗降至傳統線圈的1/20以下，還可制成斷電工作型，即所謂常閉型電磁線圈，使用于某些停電時需要切斷氣路的場合，如無人值守、地下管廊、自然災害頻發地區等。
電磁線圈分類與特點：
（1）傳統線圈：其工作特點之前已做過說明不再贅述。
（2）使用單片機控制的低功耗線圈：其內部使用控制芯片，可根據用戶的不同需求，通過事先寫入不同的程序，控制線圈通、斷電的時間和次數，從而對動鐵心的吸合效果進行控制。這種線圈的應用面十分廣泛。但對于電磁式燃氣緊急切斷閥來說，很多功能是無用的，并且存在線圈內部電路比較復雜、體積較大、成本較高等不利因素。
（3）使用電容控制的低功耗線圈：此種線圈利用電容充、放電兩過程產生的瞬間電流，產生瞬間電磁力，分別制成通電工作型和斷電工作型兩種線圈。這一方法即可以防止線圈長期帶電，而且比采用單片機制成的產品節約了成本，降低電路復雜程度。雖然這一技術已在家用燃氣表中的內置欠費切斷閥上得到應用，但將其用于較大口徑、較高壓力的工業用電磁式燃氣緊急切斷閥上還屬首次。日前掌握此項技術的某公司已獲得這種線圈的專利，專利號為200910304335.1。下面簡要介紹一下這兩種電磁線圈的工作方式，如圖10、11所示，圖中開關代表控制電路。
通電工作型的工作方式為，電磁線圈長期處于2、3兩點接通狀態，不帶電，當閥門需要關閉時，1、2兩點接通，線圈上產生瞬間電流，閥門關閉后，返回2、3兩點接通狀態，構成放電回路，電容放電。
斷電工作型的工作方式為，電磁線圈長期處于1、2兩點接通狀態，為電容充電，當閥門需要關閉時，2、3兩點接通，電容通過線圈放電，線圈上產生瞬間電流，閥門關閉后，返回1、2兩點接通狀態，再次為電容充電。
5 結語
（1）需要強調，不能使用沒有取得國家防爆認證和閥門檢驗合格證書的切斷閥。
（2）根據使用條件選取合適的切斷閥，例如，應用于壓力較高或安裝空間較狹小的場合，可選用軸流式切斷閥；若在潮濕、多粉塵、具有腐蝕性或天然氣中雜質較多等情況下工作，為保證可靠切斷，應盡可能避免選用結構復雜的切斷閥，宜采用拔銷式結構的切斷閥配合傳統線圈使用；對于工作環境較好，要求低能耗、便于維修的情況，宜選用間接作用式配合低功耗線圈使用等等。
（3）在選用電磁式燃氣緊急切斷閥時，應盡量選用具有壓力管道元件生產資質的廠家的產品，若首次選用對方產品，應綜合考慮以下幾個主要方面：研發能力、生產規模、生產設備、質量控制體系及相關認證。另外，應謹慎核實查詢網絡信息確定對方資質和生產能力。
（4）為更好的建設節約型社會，在沒有特殊要求的情況下，建議使用配備低功耗電磁線圈的切斷閥，以減少能源消耗。
（5）應盡快制定關于產品的國家標準或行業標準，使各生產廠在設計、生產、檢測、維護和管理等方面有一個統一的、可遵循的標準，對規范這一市場起到良好作用。
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