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

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)有上下兩個對稱的支撐板，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)重時會出現(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*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，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中具有較大動能，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，需對球體的球口部位和閥座的內(nèi)孔做硬化處理，必要時球口還需設(shè)計為防沖刷結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對在閥門0~10%開度時介質(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)度及最小壁厚計算

殼體最小壁厚及強(qiáng)度設(shè)計需與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)計壓力，MPa

S——設(shè)計溫度下的許用應(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，即初級密封+次級密封結(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，初級密封副材料為兩種不同硬度值的高分子密封材料，而次級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。

 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)整時間，提高工作效率，并降低測試過程中的危險性。當(dāng)閥門在線運(yùn)行時，在快速檢漏口處安裝壓力傳感器，當(dāng)閥門產(chǎn)生泄漏時，可以立即報警，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)對比、傳動鏈的參數(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算公式、體蓋密封結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進(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模態(tài)形式、頻率和總振級，進(jìn)行振動特性定量評價；針對超聲速非定常流邊界條件及邊界層擬序結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲速流體流動聲傳播及聲輻射計算，揭示超聲速混合波形對振動噪聲的影響機(jī)理，并研究出基于主動抑制和被動抑制的超高壓球閥減振降噪的設(shè)計方法。