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大口徑雙向密封固定式電動(dòng)球閥的閥座結(jié)構(gòu)分析

[ 2016-11-18 ]
為了確保球閥閥座密封達(dá)到0泄漏,根據(jù)API6D標(biāo)準(zhǔn)閥座結(jié)構(gòu)的原理,對(duì)閥門設(shè)計(jì)了多種復(fù)合型閥座結(jié)構(gòu),本文介紹一種新型大口徑固定式電動(dòng)球閥雙向密封閥座的結(jié)構(gòu)。      1概述      在長輸管線輸送系統(tǒng)中,對(duì)管線球閥的性能等要求相當(dāng)嚴(yán)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(dá)到0泄漏,根據(jù)API6D標(biāo)準(zhǔn)閥座結(jié)構(gòu)的原理,對(duì)閥門設(shè)計(jì)了多種復(fù)合型閥座結(jié)構(gòu),本文介紹一種新型大口徑固定球球閥雙向密封閥座的結(jié)構(gòu)。      2閥座結(jié)構(gòu)      根據(jù)API6D標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)原理,閥座結(jié)構(gòu)有單活塞效應(yīng)、雙活塞效應(yīng)和組合型3種。     ?。?)雙阻塞與泄壓閥座      雙阻塞與泄壓閥座(DBB)即單活塞效應(yīng)閥座是自泄壓閥座結(jié)構(gòu),介質(zhì)進(jìn)口端和出口端閥座結(jié)構(gòu)一致,它是閥前閥座密封原理,介質(zhì)可以雙向流動(dòng)。DBB閥座有雙密封閥座(圖1)和單密封閥座(圖2)兩種結(jié)構(gòu)。雙密封閥座是由兩個(gè)能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)閥座密封的非金屬材料組合而成,在介質(zhì)壓力作用下,初級(jí)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(jí)閥座和球體形成密封副。      當(dāng)初級(jí)閥座密封失效后,介質(zhì)通過初級(jí)閥座到達(dá)次級(jí)閥座,在次級(jí)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(jí)閥座和球體形成密封副。這種閥座結(jié)構(gòu)能夠在閥腔內(nèi)的介質(zhì)壓力達(dá)到公稱壓力的1.33倍時(shí),推開介質(zhì)出口端次級(jí)閥座支撐座,使介質(zhì)壓力到達(dá)初級(jí)閥座,介質(zhì)再推開介質(zhì)出口端初級(jí)閥座支撐座,使閥門的介質(zhì)壓力泄放到出口端,保障了閥門體腔內(nèi)壓力不過載。      1.初級(jí)閥座支撐座2.初級(jí)閥座(尼龍)      3.次級(jí)閥座(氟橡膠)4.次級(jí)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(yīng)閥座,介質(zhì)進(jìn)口端和出口端閥座結(jié)構(gòu)一致,其閥前閥座和閥后閥座都能夠?qū)崿F(xiàn)密封,介質(zhì)可以雙向流動(dòng)。DIB-1閥座有雙密封閥座(圖3)和單密封閥座(圖4)兩種結(jié)構(gòu)。雙密封閥座由兩個(gè)能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)閥座密封的非金屬材料組合而成。在介質(zhì)進(jìn)口端,初級(jí)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(jí)閥座和球體形成密封副。當(dāng)初級(jí)閥座密封失效后,介質(zhì)通過初級(jí)閥座到達(dá)次級(jí)閥座,在次級(jí)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(jí)閥座和球體形成密封副。當(dāng)進(jìn)口端雙重閥座密封全部失效后,介質(zhì)進(jìn)入閥腔,到達(dá)出口端閥座,在次級(jí)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(jí)閥座和球體形成密封副。當(dāng)次級(jí)閥座密封失效,介質(zhì)壓力到達(dá)出口端初級(jí)閥座,介質(zhì)推開初級(jí)閥座支撐座,介質(zhì)進(jìn)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(yīng)閥座在閥腔異常升壓時(shí),進(jìn)出口兩端次級(jí)閥座都能夠與球體形成密封副,所以體腔內(nèi)超標(biāo)的介質(zhì)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(dòng)泄壓閥,在閥腔壓力達(dá)到公稱壓力的1.33倍時(shí),可通過自動(dòng)泄壓閥釋放閥腔內(nèi)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(jié)合雙阻塞與泄壓和雙隔離與泄壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),介質(zhì)進(jìn)口端使用DBB閥座,介質(zhì)出口端采用DIB-1閥座。組合的雙隔離與泄壓閥座為介質(zhì)單向流動(dòng),進(jìn)出口兩端雙向密封。DIB-2結(jié)構(gòu)是三重閥座密封。當(dāng)體腔壓力達(dá)到公稱壓力的1.33倍時(shí),體腔內(nèi)介質(zhì)推開進(jìn)口端次級(jí)閥座支撐座和初級(jí)閥座支撐座脫離球體,閥腔內(nèi)的壓力向介質(zhì)進(jìn)口端自動(dòng)泄放,確保閥門安全。      3分析      (1)DBB閥座的主要優(yōu)點(diǎn)是自泄壓,介質(zhì)未排放到閥門外,不會(huì)增加石油和天然氣等易燃易爆介質(zhì)泄漏造成的危害。但是,單密封閥座僅為進(jìn)口端一重密封,雙密封閥座也僅僅為進(jìn)口端二重密封。雖然閥座密封可以達(dá)到0泄漏,但很難滿足長輸管道苛刻工況的要求。     ?。?)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(diǎn)。如果泄壓安全閥失效,閥腔異常升壓帶來的危險(xiǎn)無法預(yù)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(dòng)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)     ?。?)DIB-2閥座綜合了DBB和DIB-1結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),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(jié)構(gòu)。DIB-2閥座結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,零件較多,造成零件尺寸精度較難控制,零件的強(qiáng)度和剛度較差,初級(jí)和次級(jí)閥座之間距離較大,要保證兩個(gè)閥座和球體都達(dá)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(yīng)用不廣泛。      4優(yōu)化設(shè)計(jì)      經(jīng)過對(duì)DBB、DIB-1和DIB-2閥座結(jié)構(gòu)的分析和研究,對(duì)大口徑管線固定球球閥的閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。新閥座為雙向雙重密封,介質(zhì)單向流動(dòng),進(jìn)出口端雙重密封(四重密封),初級(jí)閥座和次級(jí)閥座共用一個(gè)閥座支撐座,兩個(gè)閥座相鄰,結(jié)構(gòu)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(jì)算與驗(yàn)證      為了保證閥座的密封性能和使用壽命,對(duì)閥座的密封比壓和操作扭矩進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算與驗(yàn)證。結(jié)果證明,優(yōu)化后閥座結(jié)構(gòu)更合理,設(shè)計(jì)比壓和閥門操作扭矩符合苛刻工況要求。      (1)密封比壓      閥座為雙阻塞與泄壓結(jié)構(gòu),為閥座閥前密封,其密封比壓q為     ?。?)      式中P———設(shè)計(jì)壓力;MPa      d1———雙阻塞與泄壓結(jié)構(gòu)的閥座支承座的外徑,mm      d2———雙隔離與泄壓結(jié)構(gòu)的閥座支承座的外徑,mm      D1———閥座密封面內(nèi)徑,mm      D2———閥座密封面外徑,mm      [q]———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(jié)構(gòu)為雙隔離與泄壓結(jié)構(gòu),為閥座閥后密封,密封比壓q為      (2)      qMF<q<[q]為合格。     ?。?)操作力矩      密封結(jié)構(gòu)為雙阻塞與泄壓結(jié)構(gòu),為閥座閥前密封,球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),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(zhuǎn)矩,N•mm      Mt———閥桿與填料間的摩擦轉(zhuǎn)矩,N•mm      MO———閥桿與O形圈間的摩擦轉(zhuǎn)矩,N•mm      Mu———閥桿臺(tái)肩與止推墊片間的摩擦轉(zhuǎn)矩,N•mm      Mc———軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩,N•mm      uT、uo、u1、uc———相應(yīng)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(tái)肩的外徑,mm      d0———閥桿處O形圈的直徑,mm      密封結(jié)構(gòu)為雙隔離與泄壓結(jié)構(gòu),為閥座閥后密封,球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),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(jié)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(jí)Class600(PN10.0MPa)),實(shí)現(xiàn)了雙向密封和閥座0泄漏,固定式電動(dòng)球閥滿足了石油天然氣長輸管線的技術(shù)要
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