整體式雙向密封全焊接球閥閥座的設(shè)計研究

2014-08-20 肖翰克里特集團有限公司

　　本項目產(chǎn)品是一種主要石油、天然氣工業(yè)管道用鍛鋼全焊接球閥，為保證零泄漏，采用整體式雙向密封球閥閥座，改變了傳統(tǒng)球閥組合式的閥座結(jié)構(gòu)且具有雙活塞效應(yīng)，能滿足雙隔離和排放的DIB功能要求，比傳統(tǒng)的雙截斷和排放的DBB結(jié)構(gòu)有明顯的啟閉力矩小、耗材少的技術(shù)優(yōu)勢，顯著提高了閥座和閥體之間的密封效果和閥門的使用壽命。

　　世界經(jīng)濟發(fā)展至今日，資源短缺，能源緊張，而石油和天然氣的需求卻越來越大，以往的油氣田日漸枯竭，不得不轉(zhuǎn)向氣候惡劣、地形地貌極差、人跡罕見的嚴(yán)寒、荒漠、沼澤和海洋大陸架等新的產(chǎn)地，這給輸送石油、天然氣造成了極大的困難，給長輸管線的心臟部件——管線球閥提出更高的要求。

　　石油、天然氣是易燃易爆危險品，而石油、天然氣是易揮發(fā)物質(zhì)，易產(chǎn)生滲漏，既浪費了能源，又污染了環(huán)境，并因易燃易爆而產(chǎn)生巨大的危險。因此，我們要研發(fā)一種閥門產(chǎn)品既能防止天然氣等介質(zhì)的滲漏，又具有強大的動力、迅速而準(zhǔn)確的啟閉閥門。

1、主要研究內(nèi)容

　　自主研發(fā)了全焊接固定球閥的窄間隙自動埋弧焊焊接工藝，確保高韌性、變形小的焊接接頭，免焊后熱處理，避免對閥門密封件的損害。

　　同時，研發(fā)了一種整體式雙向密封球閥閥座，改變了傳統(tǒng)球閥組合式的閥座結(jié)構(gòu)且具有雙活塞效應(yīng)，能滿足雙隔離和排放的DIB功能要求，比傳統(tǒng)的雙截斷和排放的DBB結(jié)構(gòu)有明顯的啟閉力矩小、耗材少的技術(shù)優(yōu)勢，顯著提高了閥座和閥體之間的密封效果和閥門的使用壽命。

　　傳統(tǒng)的管線球閥閥座與閥體之間的密封是采用閥座加活塞的兩體結(jié)構(gòu)，活塞的內(nèi)、外圓上各用二個O型密封圈密封;閥門進(jìn)出端各一組。其缺點是使整機體積增大，并由于閥座密封圈中心尺寸加大而使閥門的啟閉力矩大大增加。并且，僅適用于DBB結(jié)構(gòu)。為此，我們用一個增大的O型密封圈代替原活塞結(jié)構(gòu)，解決了閥座與閥體之間的密封問題，實現(xiàn)了沒有活塞但有雙活塞效應(yīng)(即DIB功能)，同時具有雙重密封功能的創(chuàng)新。該技術(shù)創(chuàng)新，有效地減小了閥門的啟閉力矩，并且由于減少了外漏點，提高了閥門的密封性能，使閥門更環(huán)保、更節(jié)約原材料。

2、高韌性、變形小的鍛鋼全焊接工藝技術(shù)創(chuàng)新

　　傳統(tǒng)的鍛焊結(jié)構(gòu)構(gòu)件無論用何種工藝方法進(jìn)行焊接，均要消除疊加的焊接應(yīng)力、焊縫熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力，必須進(jìn)行焊后熱處理。而本項目產(chǎn)品的最后一道工序是焊接。由于閥門的所有內(nèi)件都在閥門的內(nèi)部，其密封圈都是由VITON、尼龍66等塑料橡膠制品，最高只能承受150℃，而焊后熱處理的最低溫度都超過400℃，因此必須免焊后熱處理。本項目產(chǎn)品采用了一種窄間隙、低線能量、低層間溫度、低變形、高韌性、變形小的自動埋弧焊接工藝。一是焊接坡口的設(shè)計有別于美國ASMEB16.25標(biāo)準(zhǔn)的U形坡口(其角度為40°)焊接熱量很大(參見美國ASMEB16.25標(biāo)準(zhǔn)夾角圖);而本焊接坡口夾角為4～12°，有利于降低焊接線能量、排氣和排渣;二是選擇了合理的焊接工藝參數(shù)，可以實現(xiàn)低線能量的焊接，減小焊接變形、降低焊接應(yīng)力;三是講究焊接技巧，盡量降低焊接的層間溫度，使層間溫度不超過120℃;四是采用合理的焊接材料，極大地提高焊縫熔敷金屬的韌性。

美國ASMEB16.25標(biāo)準(zhǔn)夾角圖

1.中體2.左右體

傳統(tǒng)的窄間隙埋弧焊焊接工藝圖窄間隙、厚壁自動埋弧焊焊接工藝圖

1、閥門中腔2、左右體3、窄間隙坡口4、中體 1、中體2、左右體　3 密封結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

　　創(chuàng)新設(shè)計了一種整體式雙向密封的球閥閥座，顯著提高了閥座和閥體之間的密封效果和閥門的使用壽命，并具有啟閉力矩小、耗材少的特點。

　　整體式雙向密封球閥閥座改變了傳統(tǒng)球閥組合式的閥座結(jié)構(gòu)且具有雙活塞效應(yīng)，能滿足雙隔離和排放的DIB功能要求，比傳統(tǒng)的雙截斷和排放的DBB結(jié)構(gòu)有明顯的啟閉力矩小、耗材少的技術(shù)優(yōu)勢，顯著提高了閥座和閥體之間的密封效果和閥門的使用壽命。

原組合式閥座結(jié)構(gòu)圖

1、閥門通道2、左右體3、閥座支撐圈子4、O形圈　5、活塞環(huán)6、彈簧7、閥座密封環(huán)8、球體

　　本閥座用一只增大的O型密封圈取代傳統(tǒng)的活塞環(huán)、O型圈組合結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的管線球閥閥座結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)雙向密封，采用了閥座加活塞環(huán)、加O型圈的組合式結(jié)構(gòu)。活塞環(huán)的內(nèi)外圓上均裝有O型圈，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，閥座體積較大，因此使閥體體積增大。同時組合式閥座結(jié)構(gòu)密封中心尺寸比較大，在同樣的工況下，閥門的啟閉力矩增大，造成耗材耗能。原組合式閥座結(jié)構(gòu)如圖所示：

端口壓力高于中腔壓力時　　　　端口壓力低于中腔壓力時

　　圖中：1、增大的O形密封圈2、球體3、閥座副密封圈　4、閥座主密封圈5、閥座支撐圈6、閥體 7、彈簧

整體式雙向密封球閥閥座示意圖

　　本項目產(chǎn)品將閥座的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計成一體式結(jié)構(gòu)，閥座與閥體的密封由一只防爆橡膠制成的、增大的O形密封圈來實現(xiàn)。防爆橡膠有優(yōu)異的性能，適用溫度在-40～200℃，適用壓力在40MPa以下。O形圈在動、靜條件下均可實現(xiàn)零泄漏，使用單件O形圈有雙向密封作用。有良好密封性能的O形密封圈，可以適用于往復(fù)運動的密封。當(dāng)容腔內(nèi)充入有壓力的介質(zhì)后，在介質(zhì)壓力的作用下，O形密封圈發(fā)生位移，移向低壓側(cè)，同時其彈性變形進(jìn)一步加大，填充和封閉間隙，只要O形密封圈存在初始壓力，就能實現(xiàn)無泄漏的絕對密封。這種靠介質(zhì)本身壓力來改變O形密封圈接觸狀態(tài)，使之實現(xiàn)密封的性質(zhì)，稱為自密封作用。用于往復(fù)運動時，O形密封圈預(yù)密封效果和自密封作用與靜密封一樣，并且由于O形圈自身的彈力而具有自動補償能力。因此常用于氣動滑閥和氣缸中，亦即適用于天然氣介質(zhì)的閥座密封中。具有雙隔離-排放的DIB功能的整體式雙向密封球閥閥座示意圖見圖。

　　端口壓力高于中腔壓力時的密封原理：當(dāng)端口壓力高于閥體中腔時，介質(zhì)的壓力將O形密封圈向中腔推去，擠壓閥座的左平桌和閥體的內(nèi)圓及閥座的小外圓上，也就是填充和封閉間隙，此時，介質(zhì)被密封住。當(dāng)端口壓力低于中腔壓力時的密封原理：當(dāng)端口壓力低于閥體中腔時，介質(zhì)的壓力將O形密封圈向端口推去，擠壓閥體的右平桌和閥體的內(nèi)圓及閥座的小外圓上，也就是填充和封閉間隙，此時，介質(zhì)也被密封住。