PFF65－140型硬密封圓弧平板閘閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)

鄭 泳，張 川，宋振華，杜文波，饒 冬，張 津

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 廣漢鉆采設(shè)備廠，四川 廣漢618399；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 成都裝備制造分公司，成都610051）①

隨著超高壓氣井的不斷出現(xiàn)，常規(guī)70MPa、105 MPa采氣井口裝置已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要。近年以來(lái)，超高壓壓裂井口的需求也越來(lái)越迫切，因此，加快試制140MPa超高壓采氣井口裝置已成為國(guó)內(nèi)制造企業(yè)的首要任務(wù)。平板閘閥作為采氣井口裝置中的重要部件，應(yīng)成為研究的突破口。

諸多企業(yè)在試制通徑為65mm、壓力級(jí)別為140MPa的平板閘閥（PFF65－140型平板閘閥）期間，均有閥板、閥座硬質(zhì)合金層在超高壓作用下爆裂的現(xiàn)象，其裂紋呈圓周放射狀分布，如圖1。

為了提高該閥的密封性能，設(shè)計(jì)者普遍采取的措施是：增加閥板、閥座硬質(zhì)合金層的厚度；加寬閥板、閥座的尺寸；更改閥板、閥座的基體材料及熱處理工藝。但是，效果都不理想。加厚閥板、閥座硬質(zhì)合金層會(huì)導(dǎo)致閥板、閥座的噴焊合格率大幅下降。加寬、加厚閥板、閥座會(huì)使閥體腔室空間變大，生產(chǎn)成本增加，閥體報(bào)廢率高。更改閥板、閥座的基體材料及熱處理工藝導(dǎo)致試制周期延長(zhǎng)。

1 原有設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

原始設(shè)計(jì)的閥板、閥座結(jié)構(gòu)如圖2［1］。

圖2中的參數(shù)是：D為閥座受壓外圓直徑，D＝118mm；d2為閥座硬質(zhì)合金層承壓外徑，d2＝116 mm；d1為閥座硬質(zhì)合金層密封帶內(nèi)徑，d1＝65.5 mm；bm為閥座硬質(zhì)合金層密封帶寬度，bm＝25.25 mm；p為工作壓力，p＝140MPa。

閥座的密封比壓［1］

帶人數(shù)據(jù)計(jì)算得

雖然《閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求密封面的比壓≤250 MPa。實(shí)際比壓q1＝212.7MPa，在允許范圍內(nèi)。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于焊接等因素的影響，當(dāng)密封面的比壓大于200MPa，閥座硬質(zhì)合金層在各種復(fù)雜因素的作用下就有可能在高壓下爆裂。因此，閥板、閥座密封面的比壓偏大。

2 第1次改進(jìn)設(shè)計(jì)［2］

根據(jù)分析得出的原因，對(duì)平板閘閥閥座進(jìn)行第1次結(jié)構(gòu)改進(jìn)，解決閥座密封面的比壓偏大的問(wèn)題。方法是將閥座受壓外圓直徑減小，使得密封比壓減小。改進(jìn)的結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3中的參數(shù)：D＝110mm，d2＝116mm，d1＝65.5mm，bm＝25.25mm，p＝140MPa。計(jì)算閥座的密封比壓：

第1次改進(jìn)設(shè)計(jì)后的平板閘閥閥座的硬質(zhì)合金層在試驗(yàn)中仍然出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。

3 第2次改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 閥座受力分析［3］

3.1.1 理論計(jì)算

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在平板閘閥進(jìn)行全關(guān)試驗(yàn)時(shí)，壓力介質(zhì)端閥座的硬質(zhì)合金層發(fā)生了爆裂，而無(wú)壓力介質(zhì)端（通大氣）閥座硬質(zhì)合金層卻完好無(wú)損。

按圖3的閥座尺寸計(jì)算得：

有壓力介質(zhì)端閥座硬質(zhì)合金層所受的壓力為

無(wú)壓力介質(zhì)端閥座硬質(zhì)合金層所受的壓力為

從以上的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，無(wú)壓力介質(zhì)端閥座硬質(zhì)合金層所受的壓力比有壓力介質(zhì)端閥座硬質(zhì)合金層所受的壓力大1倍還要多，但是沒有發(fā)生爆裂。這說(shuō)明有壓力介質(zhì)端閥座還有其他作用力使其硬質(zhì)合金層爆裂。

實(shí)際上，閥座在橡膠密封圈和閥板的硬密封作用下，可以把閥座看作是獨(dú)立的高壓厚壁容器，閥座承受切向拉應(yīng)力σt、徑向壓應(yīng)力σr、軸向壓應(yīng)力σz的作用。如圖4。

由于閥座噴焊硬質(zhì)合金層后，為保證閥座消除焊接應(yīng)力，要將閥座基體加熱與焊層溫度相一致，再放入烘箱隨爐冷卻，這樣，閥座基體材料為退火狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)噴焊硬質(zhì)合金層后的閥座基體的硬度便可以證明這一點(diǎn)。

把閥座簡(jiǎn)化為厚壁圓筒［2］，外徑d2＝116mm，壁厚δ＝25.25mm，內(nèi)壓力p＝140MPa。

假設(shè)σ為閥座基體的內(nèi)應(yīng)力，根據(jù)《液壓元件手冊(cè)》，厚壁筒強(qiáng)度公式：

帶人數(shù)據(jù)得

計(jì)算得σ≈406MPa。

3.1.2 有限元分析

有限元分析結(jié)果如圖5，閥座基體的最大應(yīng)力為411.5MPa，最小應(yīng)力為6.9MPa。

3.1.3 硬質(zhì)合金層爆裂的原因

閥座噴焊的硬質(zhì)合金層屬于脆性材料，應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖6，沒有屈服現(xiàn)象和頸縮現(xiàn)象，強(qiáng)度極限是衡量脆性材料的唯一指標(biāo)。硬質(zhì)合金的強(qiáng)度極限低于合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限，接近合金結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限（從試驗(yàn)中得到證實(shí)）。理論計(jì)算和有限元分析證明閥座基體內(nèi)的應(yīng)力已很接近材料的屈服極限。當(dāng)閥座基體內(nèi)應(yīng)力達(dá)到最大，在切向拉應(yīng)力σt、徑向壓應(yīng)力σr的共同作用下，閥座基體產(chǎn)生最大變形，而硬質(zhì)合金層抵抗不住閥座基體產(chǎn)生的變形，最終造成硬質(zhì)合金層爆裂。

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)，造成閥座硬質(zhì)合金層爆裂的力是超高壓介質(zhì)所產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力σt和徑向壓應(yīng)力σr，而與軸向壓應(yīng)力σz關(guān)系不大。

3.2 閥板受力分析

閥板的硬質(zhì)合金層在超高壓力作用下也發(fā)生爆裂現(xiàn)象，其裂紋呈圓周放射狀分布。因此，將閥板的兩側(cè)面改進(jìn)成外凸圓弧。圖7～8是改進(jìn)前后閥板的應(yīng)力云圖，可以看出2種閥板在全開過(guò)程中，承受140MPa內(nèi)壓時(shí)，均是65mm通孔口出現(xiàn)最大應(yīng)力集中區(qū)域。為了減小應(yīng)力集中，最佳的方法是做倒角處理。改進(jìn)后閥板的應(yīng)力明顯減小。

3.3 改進(jìn)方案

1） 將閥座外圓尺寸加大。使閥座基體能夠承受超高壓介質(zhì)所產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力σt和徑向壓應(yīng)力σr，彈性變形盡可能的小，最終目的使閥座硬質(zhì)合金層不爆裂。由于閥體尺寸的限制，閥板、閥座本身價(jià)格昂貴，閥座外圓尺寸不可能無(wú)限加大，應(yīng)盡可能優(yōu)化。

2） 在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上限制閥座的變形。將閥座的變形量限制在閥座硬質(zhì)合金層不開裂的范圍內(nèi)。選取合適的閥座、閥體孔配合間隙就能較好限制閥座的變形，從而達(dá)到閥座硬質(zhì)合金層不爆裂的目的。

4 閥座變形及控制措施

4.1 2種約束條件下的閥座變形

1） 假設(shè)約束在閥座最大外圓面，即閥座、閥體閥座孔配合間隙很小。閥座模型的位移分布如圖9，最大縱向位移為0.03mm。

2） 假設(shè)約束在閥座硬質(zhì)合金層端面，即閥座、閥體閥座孔配合間隙稍大。閥座模型的位移分布如圖10，閥座最大縱向位移為0.086mm。

4.2 措施

1） 如果閥座的外圓面約束以閥體閥座孔為前提，則閥座基體變形相對(duì)較小。其受力為：閥座在超高壓介質(zhì)作用下產(chǎn)生變形達(dá)到某一程度時(shí)，閥座外圓與閥體閥座孔接觸，部分應(yīng)力便傳遞給閥體，減少了閥座的變形。

2） 在不影響閥座安裝、拆卸、浮動(dòng)密封的前提下，閥座、閥體閥座孔裝配間隙盡可能小。為了控制閥座變形，間隙限制在0.2mm以內(nèi)為宜。

4.3 試驗(yàn)情況

平板閘閥經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，順利通過(guò)水壓密封及氣壓密封試驗(yàn)，產(chǎn)品再未發(fā)生硬質(zhì)合金層爆裂的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1） 將閥板的兩側(cè)面設(shè)計(jì)成外凸圓弧狀，這是該平板閘閥改進(jìn)的核心技術(shù)，不僅使閥板自身強(qiáng)度提高、可承受的壓力大，而且完全沒有影響閥體的內(nèi)腔任何尺寸，非常適合工廠的實(shí)際需要。具有加工工藝簡(jiǎn)單、制造成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

2） 硬密封圓弧平板閘閥不僅為140MPa超高壓平板閘閥系列化研制提供了有效的設(shè)計(jì)依據(jù)，也為頁(yè)巖氣采氣井口裝置中大通徑PFF180－105型平板閘閥的研究提供參考。

3） 國(guó)內(nèi)油田長(zhǎng)期進(jìn)口140MPa超高壓平板閘閥，價(jià)格昂貴，應(yīng)加大國(guó)產(chǎn)化研究力度。

4） 國(guó)內(nèi)平板閘閥的研究還需要繼續(xù)完善生產(chǎn)及加工工藝，開發(fā)系列產(chǎn)品，并逐步推向國(guó)外市場(chǎng)。

［1］陸培文.閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：959－956，1077－1078.

［2］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［K］.北京：高等教育出版社，2001：13－15.

［3］鐘功祥，呂治中，梁政.高壓閘閥閥板與閥座摩擦因素的試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008.37（2）：59－61.

［4］黎啟柏.液壓元件手冊(cè)［K］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：852－854.