淺論熱采閥的設(shè)計制造及改進(jìn)

摘要：

文中對熱采截止閥的設(shè)計和制造改進(jìn)進(jìn)行了詳細(xì)說明，針對原設(shè)計和改進(jìn)的部分工藝，給出了技術(shù)方案和策略，并已推廣應(yīng)用。

1.熱采閥是主要用于油田稠油熱采注汽管道系統(tǒng)的控制裝置。原始熱采閥是遼河油田稠油指揮部與西安泵閥總廠有限公司共同合作開發(fā)的項目。其技術(shù)開發(fā)的，目標(biāo)是基本參照美國ROCKWELL（羅克韋爾）進(jìn)口樣機(jī)的結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)行國產(chǎn)化綜合設(shè)計，以國代進(jìn)，滿足石油熱采工況。

原始熱采閥是指用于油田稠油熱采注汽管道系統(tǒng)的一種截止閥，其主要特征是：

結(jié)構(gòu)型式：Y型直流式，中法蘭（即中腔與填料箱）處為焊接結(jié)構(gòu)，明桿旋轉(zhuǎn)升降式，閥門的手柄為撞擊式手輪，支架為可拆式。

密封：錐形上密封，主密封面形式為錐體密封，密封材料為硬質(zhì)合金或其他耐沖蝕材料。

材料：閥體（A105）、填料箱等主要件材料選擇既滿足工況又與進(jìn)口閥門材料性能相當(dāng)?shù)膰a(chǎn)材料牌號。

閥門的結(jié)構(gòu)長度由設(shè)計確定，對焊端符合GB/T12224的規(guī)定或按用戶要求制造。

熱采截止閥分為J61，J65兩系列；公稱通徑（規(guī)格）DNl5～DNl25；公稱壓力PNl60，PN220，PN250，PN320；最高工作溫度T≤475℃；適用介質(zhì)：飽和水蒸汽及油品等非腐蝕性介質(zhì)。熱采截止閥產(chǎn)品不斷在生產(chǎn)實踐中加以改進(jìn)完善，在保證產(chǎn)品性能的前提下，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造進(jìn)行了不間斷優(yōu)化。

熱采截止閥的本次改進(jìn)設(shè)計是在原始設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)各用戶對產(chǎn)品十多年的使用情況的反饋，結(jié)合國家閥門生產(chǎn)制造的最新標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行的重新改型設(shè)計。根據(jù)用戶提供閥門工況：在工作壓力不超過17.5MPa的情況下閥門流通介質(zhì)為溫度不超過375℃的飽和水蒸汽。

2.熱采截止閥的設(shè)計制造改進(jìn)

2.1熱采截止閥的溫壓等級和壁厚

本次對熱采閥的溫壓等級和壁厚進(jìn)行了重新校核。由于我公司的熱采截止閥產(chǎn)品的模具、毛坯、主要零件已系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，加工尺寸、工藝、工裝也已定型，因此，本次設(shè)計的壓力溫度額定值按滿足GB/T122242005標(biāo)準(zhǔn)的特殊級閥門的要求，重新進(jìn)行校核；按照高溫閥門的標(biāo)識要求，在性能規(guī)范中明示工作溫度下最高使用壓力，保證閥門在規(guī)定溫度下使用在規(guī)定的壓力下，保證安全性，防止閥門超壓使用。

鑒于閥門使用于稠油熱采注汽系統(tǒng)高壓高溫可壓縮介質(zhì)中，一旦出現(xiàn)材料缺陷，將導(dǎo)致爆炸性事故，因此，熱采截止閥承壓件無損檢測按照GB/T12224標(biāo)準(zhǔn)的特殊級閥門要求進(jìn)行檢驗。

2.2部分熱采截止閥閥桿采用上下閥桿兩體式結(jié)構(gòu)

熱采截止閥原閥桿設(shè)計為一桿式帶閥瓣，閥桿相對細(xì)長，對閥桿的加工制造要求高，通過體腔與閥瓣配合導(dǎo)向。熱采閥長期在礦場野外安裝使用，環(huán)境侵蝕、溫度變化大。采用上下閥桿兩體式結(jié)構(gòu)，使用對開環(huán)卡槽一環(huán)套球面活套連接；上閥桿通過螺紋副傳動作明桿旋轉(zhuǎn)升降式運動，并帶動下閥桿作升降式運動。上下閥桿兩體式結(jié)構(gòu)減小了閥桿長度（兩截），實現(xiàn)下部閥桿微量自找軸心調(diào)整，可使閥桿制造要求精度降低，易于組織生產(chǎn)，減小閥桿運動卡阻可能，并且兩體式下閥桿只作軸向運動，只受軸向載荷作用，降低了閥體腔內(nèi)閥桿部位應(yīng)力水平，防止閥桿在體腔內(nèi)斷裂失效，極大提高了閥門使用的安全可靠性。

2.3防止使用溫度下熱漲卡阻設(shè)計

熱采截止閥最高工作溫度T≤475℃；介質(zhì)為飽和水蒸汽及油品等非腐蝕性介質(zhì)，通常最高工作溫度380～400℃閥蓋（15CrMo）和閥桿（2Cr13、20CrlMolV）在工作溫度時應(yīng)保證配合間隙，防止卡阻現(xiàn)象。

由于《極限與配合》國家標(biāo)準(zhǔn)適用于溫度為20℃的情況，而孔、軸的工作溫度和標(biāo)準(zhǔn)溫度相差很大，且二者的線膨脹系數(shù)也不相同，故在工作溫度下，熱變形將引起間隙發(fā)生變化，為了防止工作溫度下配合間隙過小引發(fā)卡阻現(xiàn)象，將工作溫度下保證的配合間隙推算到常溫20℃狀態(tài)下，標(biāo)注公差與配合。為此，首先根據(jù)閥門設(shè)計手冊常規(guī)推薦公差與配合，選擇常溫20℃配合制種類，考慮極端熱變形引起的間隙變化量，在工作溫度下的配合應(yīng)保證與常溫一致，求得常溫閥桿過孔配合滿足間隙，選取軸的公差帶代號和選取轂的公差帶代號。

按照該方法給出的配合間隙通過模擬工況試驗得到修正調(diào)整和驗證?，F(xiàn)在熱采截止閥在系統(tǒng)非異物進(jìn)入情況下，不會發(fā)生操作熱漲卡阻問題。

2.4采用高能離子wc注滲工藝硬化閥頭密封面

原閥瓣設(shè)計為堆焊鈷基硬質(zhì)合金，通過堆焊技術(shù)控制，焊層硬度一般可控制在HRC45～50的范圍內(nèi)，若要再提高堆焊層硬度，則焊件的一次成品率不很理想，造成成本增加，而有些用戶為了延長閥門使用時間，防止內(nèi)漏，對熱采閥密封面硬度提出了更高的要求，閥瓣硬度要求HRC≥50。

應(yīng)用高能離子wc注滲工藝對閥頭密封面進(jìn)行表面硬化，配以錐體密封副和閥頭流線型設(shè)計，提高了關(guān)閉件密封面抗高溫水蒸氣介質(zhì)高速沖蝕的能力；wc注滲制成wc一鋼梯度耐磨材料，經(jīng)過處理，閥頭具有高硬、高韌的綜合性能，

2.5閥門的對焊端接口尺寸

閥門的公稱尺寸應(yīng)表示焊接端內(nèi)徑，管道尺寸則標(biāo)識為外徑x壁厚。閥門焊接端與管道對焊連接時，由于閥門的公稱尺寸與管道尺寸存在差異，往往使閥門對焊端不能與管道吻合，為了避免影響焊接質(zhì)量，對需要進(jìn)行探傷驗收的焊縫，

2.6設(shè)計和應(yīng)用推力器一填料組合密封結(jié)構(gòu)

熱采截止閥應(yīng)用金屬絲加強(qiáng)碳纖維絲和石墨線編織柔性石墨模壓成型填料，下設(shè)推力器，形成填料組合密封結(jié)構(gòu)。采用鎳絲增強(qiáng)柔性石墨填料的機(jī)械強(qiáng)度，添加石墨油潤滑劑，使填料具有高碳填料特性和柔性石墨填料特性，自潤滑、強(qiáng)度高、耐高溫，與推力器聯(lián)合使用，工作時介質(zhì)內(nèi)壓推行推力器作用于填料向外整體預(yù)緊，外部壓套壓緊力向內(nèi)傳遞至整個填料深度，有效保證填料對閥桿的徑向壓緊力，阻止高溫水蒸氣介質(zhì)外漏。

3.結(jié)語

熱采截止閥產(chǎn)品從開發(fā)到現(xiàn)在已有二十多年的歷史，在使用熱采注汽管道系統(tǒng)進(jìn)行稠油開采的油田取得了良好的使用效果。