01

概述

球閥由于密封性能好、流阻系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、密封可靠、啟閉靈活、安全性能高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于各種行業(yè)管道系統(tǒng)中，特別是安裝在陸上井口、海洋平臺(tái)井口裝備上的超高壓球閥，已成為開采工藝中的關(guān)鍵部件。該超高壓球閥用于開閉管路、控制流向、調(diào)節(jié)和控制輸送介質(zhì)，具有快速切斷的優(yōu)異性能，是調(diào)節(jié)油氣流體流量、確保壓力穩(wěn)定的核心控制裝備，也是油、氣二次注氣壓采工藝中的關(guān)鍵裝置，被稱為氣田輸送的“咽喉”。本文將分別從超高壓球閥的球體支撐定位、閥座密封面、閥桿與球體連接、傳動(dòng)鏈的參數(shù)要求、防介質(zhì)沖刷、殼體強(qiáng)度及最小壁厚、體蓋密封等方面提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，以提升超高壓球閥的產(chǎn)品性能，使產(chǎn)品更加安全穩(wěn)定運(yùn)行。

02

超高壓球閥的設(shè)計(jì)

以國內(nèi)某氣田項(xiàng)目為例，超高壓球閥主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1  超高壓球閥技術(shù)參數(shù)

21  球體支撐結(jié)構(gòu)

球體支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)上下支撐板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，在球體設(shè)有上下兩個(gè)對(duì)稱的支撐板，當(dāng)閥座安裝在左右體閥座孔內(nèi)，閥座與左右體兩零件中心重合；當(dāng)支撐板與左右體相互配合安裝到位后，支撐板與左右體兩零件中心重合；當(dāng)中體與左右體安裝到位后，中體與左右體兩零件中心重合，最終形成以左右體通道中心線為基準(zhǔn)，閥座、支撐板、中體三中心重合的現(xiàn)象，確保球體的中心位置，進(jìn)而使球與座之間的密封副高度吻合。閥在開啟和關(guān)閉過程中平穩(wěn)，扭矩較輕，大幅提高了其使用壽命。盡量避免采用上下軸支撐結(jié)構(gòu)，這是由于上下軸會(huì)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在超高壓載荷下，上下支撐軸均存在一定的彈性形變，啟閉時(shí)承受彎矩、扭矩共同作用，導(dǎo)致球體偏移，開啟扭矩重，甚至功能失效。

圖1  球體支撐結(jié)構(gòu)

2.2  閥座密封面結(jié)構(gòu)

閥座密封面結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為彈性槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示。傳統(tǒng)高壓球閥閥座密封面為寬斜面或球面，在高壓作用下會(huì)出現(xiàn)外翻、翹曲形變，導(dǎo)致密封面涂層受力不均，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；而彈性槽結(jié)構(gòu)可讓密封面的微量形變轉(zhuǎn)為基材微量彎曲形變，使得整個(gè)密封區(qū)域變形同步，避免了因翹曲變形不同步而引起的密封面開裂，確保密封可靠性。分別設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)閥座和彈性槽閥座進(jìn)行有限元分析，兩種結(jié)構(gòu)閥座的幾何尺寸除了密封面局部位置不同，其余保持一致；選取相同的材料，介質(zhì)壓力取10000 Psi（69 MPa），模擬結(jié)果如圖3所示，比較兩種結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力載荷，得出彈性槽閥座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力載荷遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)閥座結(jié)構(gòu)。

圖2  閥座彈性槽結(jié)構(gòu)

(a)優(yōu)化前閥座結(jié)構(gòu)

(b)優(yōu)化后閥座彈性槽結(jié)構(gòu)

圖3  閥座密封面結(jié)構(gòu)

2.3  傳動(dòng)配合結(jié)構(gòu)及材料要求

閥桿與球體連接應(yīng)采用漸開線型花鍵、四方頭或六方頭緊密配合結(jié)構(gòu)，分別如圖4和圖5所示，以上三種結(jié)構(gòu)的接觸面積顯著增大，且多面接觸也分散了應(yīng)力集中；漸開線型花鍵和方頭配合結(jié)構(gòu)顯著提升了扭矩承載和抗沖擊性能，四方頭結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用在小口徑超高壓閥門中，六方頭和漸開線型花鍵結(jié)構(gòu)適合用在中、大口徑超高壓閥門中。此外，應(yīng)避免采用扁方結(jié)構(gòu)，由于扁方結(jié)構(gòu)易使桿與球體配合間隙過大，無法消除，尤其是在ESD超高壓閥中，關(guān)閉末期局部接觸面受到強(qiáng)大的瞬間沖擊，由于間隙過大而導(dǎo)致閥桿偏轉(zhuǎn)，大幅降低了該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性‌；同時(shí)閥桿的材料選用高強(qiáng)度的ASTM B637 NO7718，鍵選用17-4PH，參數(shù)要求如表2所示。

圖4  花鍵結(jié)構(gòu)

(a)四方結(jié)構(gòu)  

(b)六方結(jié)構(gòu)

圖5  方頭結(jié)構(gòu)

表2  材料參數(shù)

2.4  防介質(zhì)沖刷結(jié)構(gòu)

防介質(zhì)沖刷結(jié)構(gòu)如圖6所示，球閥在開啟初期、關(guān)閉末期，球體與閥座密封副之間因形成了狹窄空隙通道而產(chǎn)生了超高速流體。當(dāng)介質(zhì)中含有固體顆粒物時(shí)，固體顆粒物與超高速氣流將形成氣固兩相混合介質(zhì)，而氣固混合介質(zhì)中的固體顆粒在高速流動(dòng)中具有較大動(dòng)能，頻繁撞擊球口和閥座內(nèi)孔，引發(fā)微切削磨損，長期作用下易導(dǎo)致球口磨損或劃痕，甚至擊穿閥座‌。因此，需對(duì)球體的球口部位和閥座的內(nèi)孔做硬化處理，必要時(shí)球口還需設(shè)計(jì)為防沖刷結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對(duì)在閥門0~10%開度時(shí)介質(zhì)帶來的沖擊與沖刷。

(a)顆粒撞擊示意圖  

(b)硬化部位示意圖

圖6  防介質(zhì)沖刷結(jié)構(gòu)

2.5  殼體強(qiáng)度及最小壁厚計(jì)算

殼體最小壁厚及強(qiáng)度設(shè)計(jì)需與API 6D高壓球閥進(jìn)行區(qū)分，API 6D球閥最小壁厚依據(jù)ASME B16.34 表3A，但壓力不包括10000 Psi（69 MPa），因此除了采用ASME BPVC.Ⅷ.2-2023承受內(nèi)壓的圓筒體最小壁厚公式外，由于殼體壁厚受到軸向開孔和垂直方向開孔，整體強(qiáng)度被削弱，且外加端部應(yīng)力和扭矩載荷，還應(yīng)參照《API 6X Design Calculations for Pressure-containing Equipment》進(jìn)行閥體強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力校核（圖7）。殼體最小壁厚和當(dāng)量應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

圖7  應(yīng)力分量圖

（1）

式中  t——殼體最小壁厚，mm

D——殼體內(nèi)徑，mm

P——設(shè)計(jì)壓力，MPa

S——設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa

E——系數(shù)

（2）

式中  Se——當(dāng)量應(yīng)力，MPa

σx、σy、σz——直接應(yīng)力分量，MPa

τxy、τyz、τzx——剪切應(yīng)力分量，MPa

2.6 體蓋密封結(jié)構(gòu)

體蓋密封結(jié)構(gòu)應(yīng)為壓力自密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)有2道密封，即初級(jí)密封+次級(jí)密封結(jié)構(gòu)。兩道密封均為壓力自密封結(jié)構(gòu)，屬于靜態(tài)密封，初級(jí)密封副材料為兩種不同硬度值的高分子密封材料，而次級(jí)密封副材料為兩種不同硬度的金屬材料，這是由于采用不同硬度材料進(jìn)行密封可以形成機(jī)械咬合密封形式，能夠較好的解決高壓氣體介質(zhì)作用下的泄露問題。應(yīng)盡量避免采用氟橡膠O型圈或金屬纏繞墊圈，這是由于氟橡膠O型圈在長期高壓環(huán)境下會(huì)因材料應(yīng)力松弛而導(dǎo)致彈性逐漸喪失，且超高壓更加劇了這種不可逆變形，同時(shí)氟橡膠O型圈易擠入密封間隙，造成邊緣咬傷或結(jié)構(gòu)撕裂現(xiàn)象；金屬纏繞墊中的石墨密封帶具有一定孔隙率，在高壓氣體載荷下密封可靠性存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

 1.中體  2.左右體  3.壓力自密封金屬墊圈  4.壓力自密封圈  5.內(nèi)鑲密封圈  6.外鑲密封圈  7.楔型支撐圈  8.彈簧

(a)                            (b)

(a)體蓋之間密封結(jié)構(gòu)  (b)初級(jí)密封件

圖8  體蓋密封結(jié)構(gòu)

2.7  快速檢漏結(jié)構(gòu)及預(yù)警裝置

快速檢漏結(jié)構(gòu)及預(yù)警裝置設(shè)計(jì)如圖9所示，通過在檢漏口安裝壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測功能，以提高閥門的安全性。API 6A PSL 3G 10000 Psi高氣壓產(chǎn)品測試存在較高的危險(xiǎn)性，且氣壓的增壓過程較為緩慢，為了保證氣壓測試的安全性并提高生產(chǎn)效率，在體蓋密封的壓力自密封金屬墊圈與壓力密封圈之間設(shè)置檢漏口。閥門裝配完成后，由于無法判斷壓力自密封圈和壓力自密封金屬墊圈密封的完好性，在密封之間設(shè)置檢漏口便可分別對(duì)壓力自密封圈與壓力自密封金屬墊圈密封性能進(jìn)行驗(yàn)證。從檢漏口充入高壓氣體，通過壓力變化及有無氣泡出現(xiàn)快速判定殼體密封是否完好，如此既能快速判定是否有泄漏，還能節(jié)省閥門裝配、試壓的調(diào)整時(shí)間，提高工作效率，并降低測試過程中的危險(xiǎn)性。當(dāng)閥門在線運(yùn)行時(shí)，在快速檢漏口處安裝壓力傳感器，當(dāng)閥門產(chǎn)生泄漏時(shí)，可以立即報(bào)警，進(jìn)而提高了生產(chǎn)安全性。

1.閥體  2.閥蓋  3.壓力自密封金屬墊圈  4.壓力自密封圈  5.壓力傳感器

圖9  快速檢漏結(jié)構(gòu)及預(yù)警裝置

03

結(jié)語

針對(duì)超高壓球閥，本文從球體支撐定位結(jié)構(gòu)的選用、閥座密封面結(jié)構(gòu)受力分析、閥桿與球體連接結(jié)構(gòu)對(duì)比、傳動(dòng)鏈的參數(shù)要求、防介質(zhì)沖刷工藝的作用、殼體強(qiáng)度及最小壁厚推薦計(jì)算公式、體蓋密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，并已按優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能按API 6A 標(biāo)準(zhǔn)PSL 3G等級(jí)要求進(jìn)行驗(yàn)收，主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)均達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，且優(yōu)化后的產(chǎn)品已批量應(yīng)用于國內(nèi)某千億方大氣氣田項(xiàng)目中，打破了國外超高壓球閥長期壟斷的狀況，替代進(jìn)口，對(duì)國產(chǎn)化進(jìn)程具有重大意義。在未來的研究中，將采用ANSYS進(jìn)行減振降噪技術(shù)優(yōu)化，研究閥門在不同開度下的流固耦合振動(dòng)模態(tài)形式、頻率和總振級(jí)，進(jìn)行振動(dòng)特性定量評(píng)價(jià)；針對(duì)超聲速非定常流邊界條件及邊界層擬序結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲速流體流動(dòng)聲傳播及聲輻射計(jì)算，揭示超聲速混合波形對(duì)振動(dòng)噪聲的影響機(jī)理，并研究出基于主動(dòng)抑制和被動(dòng)抑制的超高壓球閥減振降噪的設(shè)計(jì)方法。