分析了石油和天然氣管線用固定球球閥閥座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能，介紹了一種大口徑雙向密封固定球球閥的閥座優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、概述

　　在長(zhǎng)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)API 6D 標(biāo)準(zhǔn)閥座結(jié)構(gòu)的原理，對(duì)閥門(mén)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)API 6D 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。

　　(1) 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(guò)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(chēng)壓力的1.33 倍時(shí)，推開(kāi)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(kāi)介質(zhì)出口端初級(jí)閥座支撐座，使閥門(mén)的介質(zhì)壓力泄放到出口端，保障了閥門(mén)體腔內(nèi)壓力不過(guò)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)

　　(2) 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(guò)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(kāi)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(mén)需要在閥體上安裝自動(dòng)泄壓閥，在閥腔壓力達(dá)到公稱(chēng)壓力的1. 33 倍時(shí)，可通過(guò)自動(dòng)泄壓閥釋放閥腔內(nèi)過(guò)高壓力。

圖2 單密封的的雙阻塞與泄壓閥座(DBB)

　　(3) 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(chēng)壓力的1.33 倍時(shí)，體腔內(nèi)介質(zhì)推開(kāi)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(mén)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(mén)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(zhǎng)輸管道苛刻工況的要求。

　　(2) DIB-1 閥座密封壽命長(zhǎng)，基本滿足長(zhǎng)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(mén)的泄漏點(diǎn)。如果泄壓安全閥失效，閥腔異常升壓帶來(lái)的危險(xiǎn)無(wú)法預(yù)估。一般來(lái)說(shuō)，在石油和天然氣長(zhǎng)輸管道上使用較少。

圖3 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)

　　(3) 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(zhǎng)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(mén)的操作扭矩和原材料成本。故真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為DIB - 2 閥座應(yīng)用不廣泛。

4、優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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、結(jié)語(yǔ)

　　閥座密封寬度對(duì)密封副的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和密封性能均有很大的影響。隨著密封寬度的增大，密封副所受的應(yīng)力和應(yīng)變均增大，密封面所受的等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力也增大，使密封性能提高，但隨之也導(dǎo)致了密封面上摩擦應(yīng)力的增大，使密封圈的使用壽命縮短，因此，還應(yīng)采取措施減小摩擦應(yīng)力，延長(zhǎng)密封圈的使用壽命。