大口径双向密封固定式球阀的阀座结构分析
- 发布时间:2015/3/5 14:23:01
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1概述
在长输管线输送系统中,对管线球阀的性能等要求相当严格,如要求具有防火、防静电、防爆和0泄漏等。为了确保球阀阀座密封达到0泄漏,根据API6D标准阀座结构的原理,对阀门设计了多种复合型阀座结构,本文介绍一种新型大口径固定球球阀双向密封阀座的结构。
2阀座结构
根据API6D标准提出的双阻塞与泄压(DBB)和双隔离与泄压(DIB-1和DIB-2)的阀座结构原理,阀座结构有单活塞效应、双活塞效应和组合型3种。
(1)双阻塞与泄压阀座
双阻塞与泄压阀座(DBB)即单活塞效应阀座是自泄压阀座结构,介质进口端和出口端阀座结构一致,它是阀前阀座密封原理,介质可以双向流动。DBB阀座有双密封阀座(图1)和单密封阀座(图2)两种结构。双密封阀座是由两个能够单独实现阀座密封的非金属材料组合而成,在介质压力作用下,初级阀座支撑座上产生的△A1环形面积差的压力加上弹簧力,确保初级阀座和球体形成密封副。
当初级阀座密封失效后,介质通过初级阀座到达次级阀座,在次级阀座支撑座上产生的△A1'环形面积差的压力加上弹簧力,确保次级阀座和球体形成密封副。这种阀座结构能够在阀腔内的介质压力达到公称压力的1.33倍时,推开介质出口端次级阀座支撑座,使介质压力到达初级阀座,介质再推开介质出口端初级阀座支撑座,使阀门的介质压力泄放到出口端,保障了阀门体腔内压力不过载。
1.初级阀座支撑座2.初级阀座(尼龙)
3.次级阀座(氟橡胶)4.次级阀座支撑座5.球体
图1双密封的双阻塞与泄压阀座(DBB)
(2)双隔离与泄压阀座
双隔离与泄压阀座(DIB-1)即双活塞效应阀座,介质进口端和出口端阀座结构一致,其阀前阀座和阀后阀座都能够实现密封,介质可以双向流动。DIB-1阀座有双密封阀座(图3)和单密封阀座(图4)两种结构。双密封阀座由两个能够单独实现阀座密封的非金属材料组合而成。在介质进口端,初级阀座支撑座上产生的△A1环形面积差的压力加上弹簧力,确保初级阀座和球体形成密封副。当初级阀座密封失效后,介质通过初级阀座到达次级阀座,在次级阀座支撑座上产生的△A1'环形面积差的压力加上弹簧力,确保次级阀座和球体形成密封副。当进口端双重阀座密封全部失效后,介质进入阀腔,到达出口端阀座,在次级阀座支撑座上产生的△A2环形面积差的压力加上弹簧力,确保次级阀座和球体形成密封副。当次级阀座密封失效,介质压力到达出口端初级阀座,介质推开初级阀座支撑座,介质进入出口端,不能形成密封副。所以,双密封阀座在出口端仅为一重阀座密封,是三重阀座密封。由于双活塞效应阀座在阀腔异常升压时,进出口两端次级阀座都能够与球体形成密封副,所以体腔内超标的介质压力不能泄放,不具备阀腔自泄压功能。因此,阀门需要在阀体上安装自动泄压阀,在阀腔压力达到公称压力的1.33倍时,可通过自动泄压阀释放阀腔内过高压力。
图2单密封的的双阻塞与泄压阀座(DBB)
(3)组合的双隔离与泄压阀座
组合的双隔离与泄压阀座(DIB-2)是结合双阻塞与泄压和双隔离与泄压结构的优点,介质进口端使用DBB阀座,介质出口端采用DIB-1阀座。组合的双隔离与泄压阀座为介质单向流动,进出口两端双向密封。DIB-2结构是三重阀座密封。当体腔压力达到公称压力的1.33倍时,体腔内介质推开进口端次级阀座支撑座和初级阀座支撑座脱离球体,阀腔内的压力向介质进口端自动泄放,确保阀门安全。
3分析
(1)DBB阀座的主要优点是自泄压,介质未排放到阀门外,不会增加石油和天然气等易燃易爆介质泄漏造成的危害。但是,单密封阀座仅为进口端一重密封,双密封阀座也仅仅为进口端二重密封。虽然阀座密封可以达到0泄漏,但很难满足长输管道苛刻工况的要求。
(2)DIB-1阀座密封寿命长,基本满足长输管道的苛刻工况。但DIB-1阀座的阀腔不具备自泄压功能,需要在阀体上安装自泄压安全阀,增加了阀门的泄漏点。如果泄压安全阀失效,阀腔异常升压带来的危险无法预估。一般来说,在石油和天然气长输管道上使用较少。
图3双密封的双隔离与泄压阀座(DIB-1)
图4单密封的双隔离与泄压阀座(DIB-1)
(3)DIB-2阀座综合了DBB和DIB-1结构的优点,是石油和天然气长输管道系统中,优先选择的阀座密封结构。DIB-2阀座结构比较复杂,零件较多,造成零件尺寸精度较难控制,零件的强度和刚度较差,初级和次级阀座之间距离较大,要保证两个阀座和球体都达到密封,要增大球体的直径,从而增加阀门的操作扭矩和原材料成本。DIB-2阀座应用不广泛。
4优化设计
经过对DBB、DIB-1和DIB-2阀座结构的分析和研究,对大口径管线固定球球阀的阀座结构进行了优化设计。新阀座为双向双重密封,介质单向流动,进出口端双重密封(四重密封),初级阀座和次级阀座共用一个阀座支撑座,两个阀座相邻,结构简单,密封可靠,零件受力良好,确保阀座0泄漏,增加了阀座密封寿命(图5)。
图5优化阀座(DIB-2)
5密封比压及操作力矩的计算与验证
为了保证阀座的密封性能和使用寿命,对阀座的密封比压和操作扭矩进行了严格的计算与验证。结果证明,优化后阀座结构更合理,设计比压和阀门操作扭矩符合苛刻工况要求。
(1)密封比压
阀座为双阻塞与泄压结构,为阀座阀前密封,其密封比压q为
(1)
式中P———设计压力;MPa
d1———双阻塞与泄压结构的阀座支承座的外径,mm
d2———双隔离与泄压结构的阀座支承座的外径,mm
D1———阀座密封面内径,mm
D2———阀座密封面外径,mm
[q]———密封面许用比压,MPa
qMF———密封面必须比压,MPa
qMF<q<[q]为合格。
密封结构为双隔离与泄压结构,为阀座阀后密封,密封比压q为
(2)
qMF<q<[q]为合格。
(2)操作力矩
密封结构为双阻塞与泄压结构,为阀座阀前密封,球阀处于关闭状态时,承受工作压力zui大,开启瞬间操作扭矩zui大,zui大扭矩M为
M=Mm+Mt+M0+Mu+Mc(3)
式中Mm———球体与阀座间的摩擦转矩,N•mm
Mt———阀杆与填料间的摩擦转矩,N•mm
MO———阀杆与O形圈间的摩擦转矩,N•mm
Mu———阀杆台肩与止推垫片间的摩擦转矩,N•mm
Mc———轴承的摩擦转矩,N•mm
uT、uo、u1、uc———相应材料的摩擦系数
R———球体半径,mm
φ———阀座密封面法向与流道中心线的夹角,(°)
Z———阀杆处填料的数量
h———阀杆处填料的高度,mm
dF、DT———阀杆直径及阀杆台肩的外径,mm
d0———阀杆处O形圈的直径,mm
密封结构为双隔离与泄压结构,为阀座阀后密封,球阀处于关闭状态时,承受工作压力zui大,开启瞬间操作扭矩zui大,zui大扭矩M为
M=Mm+Mt+MO+Mu+Mc
6结语
输送天然气管线采用优化阀座的大口径固定球球阀(NPS56(DN1400),压力等级Class600(PN10.0MPa)),实现了双向密封和阀座0泄漏,满足了石油天然气长输管线的技术要求。