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大口徑雙向密封固定式電動球閥的閥座結構分析

[ 2016-11-18 ]
為了確保球閥閥座密封達到0泄漏,根據(jù)API6D標準閥座結構的原理,對閥門設計了多種復合型閥座結構,本文介紹一種新型大口徑固定式電動球閥雙向密封閥座的結構。      1概述      在長輸管線輸送系統(tǒng)中,對管線球閥的性能等要求相當嚴格,如要求具有防火、防靜電、防爆和0泄漏等。為了確保球閥閥座密封達到0泄漏,根據(jù)API6D標準閥座結構的原理,對閥門設計了多種復合型閥座結構,本文介紹一種新型大口徑固定球球閥雙向密封閥座的結構。      2閥座結構      根據(jù)API6D標準提出的雙阻塞與泄壓(DBB)和雙隔離與泄壓(DIB-1和DIB-2)的閥座結構原理,閥座結構有單活塞效應、雙活塞效應和組合型3種。      (1)雙阻塞與泄壓閥座      雙阻塞與泄壓閥座(DBB)即單活塞效應閥座是自泄壓閥座結構,介質進口端和出口端閥座結構一致,它是閥前閥座密封原理,介質可以雙向流動。DBB閥座有雙密封閥座(圖1)和單密封閥座(圖2)兩種結構。雙密封閥座是由兩個能夠單獨實現(xiàn)閥座密封的非金屬材料組合而成,在介質壓力作用下,初級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A1環(huán)形面積差的壓力加上彈簧力,確保初級閥座和球體形成密封副。      當初級閥座密封失效后,介質通過初級閥座到達次級閥座,在次級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A1'環(huán)形面積差的壓力加上彈簧力,確保次級閥座和球體形成密封副。這種閥座結構能夠在閥腔內的介質壓力達到公稱壓力的1.33倍時,推開介質出口端次級閥座支撐座,使介質壓力到達初級閥座,介質再推開介質出口端初級閥座支撐座,使閥門的介質壓力泄放到出口端,保障了閥門體腔內壓力不過載。      1.初級閥座支撐座2.初級閥座(尼龍)      3.次級閥座(氟橡膠)4.次級閥座支撐座5.球體        圖1雙密封的雙阻塞與泄壓閥座(DBB)     ?。?)雙隔離與泄壓閥座      雙隔離與泄壓閥座(DIB-1)即雙活塞效應閥座,介質進口端和出口端閥座結構一致,其閥前閥座和閥后閥座都能夠實現(xiàn)密封,介質可以雙向流動。DIB-1閥座有雙密封閥座(圖3)和單密封閥座(圖4)兩種結構。雙密封閥座由兩個能夠單獨實現(xiàn)閥座密封的非金屬材料組合而成。在介質進口端,初級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A1環(huán)形面積差的壓力加上彈簧力,確保初級閥座和球體形成密封副。當初級閥座密封失效后,介質通過初級閥座到達次級閥座,在次級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A1'環(huán)形面積差的壓力加上彈簧力,確保次級閥座和球體形成密封副。當進口端雙重閥座密封全部失效后,介質進入閥腔,到達出口端閥座,在次級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A2環(huán)形面積差的壓力加上彈簧力,確保次級閥座和球體形成密封副。當次級閥座密封失效,介質壓力到達出口端初級閥座,介質推開初級閥座支撐座,介質進入出口端,不能形成密封副。所以,雙密封閥座在出口端僅為一重閥座密封,是三重閥座密封。由于雙活塞效應閥座在閥腔異常升壓時,進出口兩端次級閥座都能夠與球體形成密封副,所以體腔內超標的介質壓力不能泄放,不具備閥腔自泄壓功能。因此,閥門需要在閥體上安裝自動泄壓閥,在閥腔壓力達到公稱壓力的1.33倍時,可通過自動泄壓閥釋放閥腔內過高壓力。        圖2單密封的的雙阻塞與泄壓閥座(DBB)     ?。?)組合的雙隔離與泄壓閥座      組合的雙隔離與泄壓閥座(DIB-2)是結合雙阻塞與泄壓和雙隔離與泄壓結構的優(yōu)點,介質進口端使用DBB閥座,介質出口端采用DIB-1閥座。組合的雙隔離與泄壓閥座為介質單向流動,進出口兩端雙向密封。DIB-2結構是三重閥座密封。當體腔壓力達到公稱壓力的1.33倍時,體腔內介質推開進口端次級閥座支撐座和初級閥座支撐座脫離球體,閥腔內的壓力向介質進口端自動泄放,確保閥門安全。      3分析     ?。?)DBB閥座的主要優(yōu)點是自泄壓,介質未排放到閥門外,不會增加石油和天然氣等易燃易爆介質泄漏造成的危害。但是,單密封閥座僅為進口端一重密封,雙密封閥座也僅僅為進口端二重密封。雖然閥座密封可以達到0泄漏,但很難滿足長輸管道苛刻工況的要求。      (2)DIB-1閥座密封壽命長,基本滿足長輸管道的苛刻工況。但DIB-1閥座的閥腔不具備自泄壓功能,需要在閥體上安裝自泄壓安全閥,增加了閥門的泄漏點。如果泄壓安全閥失效,閥腔異常升壓帶來的危險無法預估。一般來說,在石油和天然氣長輸管道上使用較少。        圖3固定式電動球閥雙密封的雙隔離與泄壓閥座(DIB-1)        圖4單密封的雙隔離與泄壓閥座(DIB-1)      (3)DIB-2閥座綜合了DBB和DIB-1結構的優(yōu)點,是石油和天然氣長輸管道系統(tǒng)中,優(yōu)先選擇的閥座密封結構。DIB-2閥座結構比較復雜,零件較多,造成零件尺寸精度較難控制,零件的強度和剛度較差,初級和次級閥座之間距離較大,要保證兩個閥座和球體都達到密封,要增大球體的直徑,從而增加閥門的操作扭矩和原材料成本。DIB-2閥座應用不廣泛。      4優(yōu)化設計      經(jīng)過對DBB、DIB-1和DIB-2閥座結構的分析和研究,對大口徑管線固定球球閥的閥座結構進行了優(yōu)化設計。新閥座為雙向雙重密封,介質單向流動,進出口端雙重密封(四重密封),初級閥座和次級閥座共用一個閥座支撐座,兩個閥座相鄰,結構簡單,密封可靠,零件受力良好,確保閥座0泄漏,增加了閥座密封壽命(圖5)。        圖5優(yōu)化閥座(DIB-2)      5密封比壓及操作力矩的計算與驗證      為了保證閥座的密封性能和使用壽命,對閥座的密封比壓和操作扭矩進行了嚴格的計算與驗證。結果證明,優(yōu)化后閥座結構更合理,設計比壓和閥門操作扭矩符合苛刻工況要求。     ?。?)密封比壓      閥座為雙阻塞與泄壓結構,為閥座閥前密封,其密封比壓q為     ?。?)      式中P———設計壓力;MPa      d1———雙阻塞與泄壓結構的閥座支承座的外徑,mm      d2———雙隔離與泄壓結構的閥座支承座的外徑,mm      D1———閥座密封面內徑,mm      D2———閥座密封面外徑,mm     ?。踧]———密封面許用比壓,MPa      qMF———密封面必須比壓,MPa      qMF<q<[q]為合格。      密封結構為雙隔離與泄壓結構,為閥座閥后密封,密封比壓q為     ?。?)      qMF<q<[q]為合格。      (2)操作力矩      密封結構為雙阻塞與泄壓結構,為閥座閥前密封,球閥處于關閉狀態(tài)時,承受工作壓力最大,開啟瞬間操作扭矩最大,最大扭矩M為      M=Mm+Mt+M0+Mu+Mc(3)               式中Mm———球體與閥座間的摩擦轉矩,N•mm      Mt———閥桿與填料間的摩擦轉矩,N•mm      MO———閥桿與O形圈間的摩擦轉矩,N•mm      Mu———閥桿臺肩與止推墊片間的摩擦轉矩,N•mm      Mc———軸承的摩擦轉矩,N•mm      uT、uo、u1、uc———相應材料的摩擦系數(shù)      R———球體半徑,mm      φ———閥座密封面法向與流道中心線的夾角,(°)      Z———閥桿處填料的數(shù)量      h———閥桿處填料的高度,mm      dF、DT———閥桿直徑及閥桿臺肩的外徑,mm      d0———閥桿處O形圈的直徑,mm      密封結構為雙隔離與泄壓結構,為閥座閥后密封,球閥處于關閉狀態(tài)時,承受工作壓力最大,開啟瞬間操作扭矩最大,最大扭矩M為      M=Mm+Mt+MO+Mu+Mc      6結語      輸送天然氣管線采用優(yōu)化閥座的大口徑固定球球閥(NPS56(DN1400),壓力等級Class600(PN10.0MPa)),實現(xiàn)了雙向密封和閥座0泄漏,固定式電動球閥滿足了石油天然氣長輸管線的技術要
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