1.概述
根据国家统计局数据，2020年全国城镇化率超过60%，城镇化率每提高一个百分点，每年将增加相当于8000万吨标准煤的能源消费量，天然气将成为城市居民的主要燃料。然而燃气是易燃易爆物质，据报道，2020年燃气安全事故达548起，造成84人死亡，670人受伤，已成为我国继交通事故、工伤事故之后的第三大杀手。安全问题有主动安全措施和被动安全措施，主动安全措施立足于预防，被动安全措施立足于事故发生后，将损失控制在最小范围之内。户内燃气管网输配系统中的燃气铜球阀起到流体控制与调节等重要作用，当户内燃气管路周围遇到燃气泄漏导致火灾事故发生时，应能够及时切断管路中燃气介质的供应，避免引起更大的次生灾害（爆炸），为居民生命、财产多一道守护。本文一体式超温自动切断燃气阀的运用，坚持以防为主，属于燃气管网安全公共事故前以及事故后二次灾害的预防技术，可以提升全社会抵御燃气事故灾害的防范能力。
2.1 整体结构
一体式超温自动切断燃气阀是指在阀体内设有用于安装热敏性元件装置、阀座、球体、阀杆、密封座、驱动切断装置的一体式阀体腔，整体结构设计如图1所示。阀体腔流体入口一端设计限位台阶，用于限位挡片，使得驱动切断装置和流体入口之间无连接点，从而避免了因外界温度过高等因素导致连接点损坏，降低燃气切断失效的风险，提高了燃气切断的可靠性。同时，在阀体上与驱动切断装置对应的区域，设计外突的热敏性容置腔结构，热敏性容置腔与流体通道连通，腔内安装有热敏性元件装置，安装后热敏性元件装置的限位结构与流体通道驱动切断装置进行限位。热敏性元件装置设计安装于阀体的外侧，以便更加迅速且准确地感应周围温度的变化，避免受到流体通道内的流体流动导致热导损失的影响，使燃气切断操作更迅速准确，提高了燃气切断的灵敏性。阀杆与球体连接，通过手柄转动球体，实现阀门的启闭，从而控制燃气的供应。
2.2 驱动切断装置
驱动切断装置主要由切断体、连杆、弹簧、衬套、挡片零部件组成，其中切断体、连杆、衬套零部件组装成一体作为驱动切断件，弹簧安装在衬套内壁中，切断体端面设计为第一锥面密封结构，衬套和挡片并列且平行设置，两者之间设置有弹簧，实现衬套在流体通道内位置的变化，驱动切断装置结构如图2所示。
根据图1、图2可知，驱动切断装置安装于阀体腔中，由挡片进行限位。挡片、衬套设计为环状结构且呈正对布置，燃气介质经过挡片、衬套的流道流向出口端，使得在正常情况下不会干扰燃气的供应从而增大流体通道的流量。连杆穿过挡片的定位孔将衬套和切断体连接，弹簧安装在衬套中起到压伸缩力的传输作用，切断体的滑动实现密封座上流通孔的打开和锥形堵塞，从而实现燃气的流通和切断。
2.3 热敏性元件装置
热敏性元件装置主要由闷盖、限位件、定位板、感温金属体、导热件、基座零部件组成，其中热敏性元件由感温金属体和导热件组成，热敏性元件装置结构如图3所示。其中限位件的作用是对驱动切断装置进行限位，定位板、感温金属体和限位件安装在基座中，基座的底部设计为薄壁，便于导热件将高温传导至感温金属体上，闷盖的作用是连接热敏性元件容置腔零部件。
3.工作状态
3.1 限位工作状态
热敏性元件装置处于限位工作状态时，周围温度为常温，感温金属体处于初始硬态向上凸弧形状态。限位件向上凸出高于燃气通道下底面内壁，卡住驱动切断装置，弹簧处于压缩状态，切断体处于限位状态与密封座分离，燃气通道处于开启状态，燃气介质从流体入口流入流体通道及密封座的流通孔，然后从流体出口排出。驱动切断装置限位工作状态如图4所示，图中的箭头方向为燃气介质流动方向。
3.2 超温自动切断工作状态
一体式超温自动切断阀在外界发生火灾的环境中，周围温度较高，闷盖将周围环境热量通过导热件迅速传导至基座下底面。基座与感温金属体之间留有狭窄的变形空间，变形空间的空气温度迅速上升传导热量给感温金属体，当达到热敏性元件装置额定工作温度范围70～120 ℃区间时，感温金属体变软，形状由初始硬态向上凸弧形变为软态向下凹弧形，限位件随感温金属体一同向下运动至低于燃气通道内壁，消除限位件限位。衬套在弹簧的推动下向右移动至切断体，封堵住密封座的流通孔，切断体的第一锥面与密封座的锥形扩孔形成锥面密封，有效实现了金属硬密封。一体式超温自动切断燃气阀超温切断工作状态如图5所示。
4.额定流量验证
由一体式超温自动切断燃气阀的设计结构可知，驱动切断装置安装于流体通道中，占用了通道空间，影响介质的流通能力，因此挡片、驱动切断装置、密封座的结构至关重要，其中挡片、衬套设计为环状结构且呈正对布置，驱动切断装置中的切断体设计为锥形结构。根据CJ/T 180-2014标准6.4条表7可知，其他类型的阀门DN15直阀的额定流量不低于5 m3/h。由额定流量试验第7.4条可知处于全开状态的阀门进口施加2.5 kPa的压力，调整流量使阀门前后压差为100 Pa，得出该条件下的额定流量。产品经过国家燃气用具质量监督检验中心按CJ/T 180-2014标准型式检验，以空气为介质，在1个大气压条件下，公称通径为DN15的流量实测为5.09 m3/h，报告编号为2020F-0074，折算到天然气介质流量为6.82 m3/h。
5.结语
为降低燃气泄漏安全事故发生率，本文设计了一种基于热敏性金属超温自动切断的一体式阀门，该阀门可安装在家用燃气表的入口管道处，起到超温自动切断户内燃气的作用。在结构上设计了驱动切断装置和热敏性元件装置，当周围温度超过设计的额定工作温度，热敏性元件装置中感温金属体变软，形状由初始硬态向上凸弧形变为软态向下凹弧形并解除限位，驱动切断装置在弹簧力的作用下，实现封堵流通孔，隔断介质流通。一体式超温自动切断燃气阀，坚持以防为主，可以有效预防燃气管网安全公共事故以及事故后二次灾害，提升了全社会抵御燃气事故灾害的防范能力。
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