淺談高壓平板閘閥閥座組件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

張紹華，陶國慶，劉建鋒，葉志烜，余宏兵

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031）

1 概述

平板閘閥有密封可靠、結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)扭矩小和便于操作等優(yōu)點(diǎn)，是石油化工和天然氣管線工程等領(lǐng)域中管路上常用閥種。隨著石油化工裝置和石油天然氣管線工程的大型化，與其配套的平板閘閥的口徑也越來越大，壓力越來越高。當(dāng)運(yùn)行壓力達(dá)到10MPa 及以上，在進(jìn)行全壓差開啟時(shí)，經(jīng)常發(fā)生閥座損壞并產(chǎn)生泄漏的現(xiàn)象，由此給管道工程帶來安全隱患。本文介紹了一種新的閥座組件結(jié)構(gòu)，有效解決了高壓平板閘閥全壓差開啟時(shí)閥座破壞的問題，能滿足高壓平板閘閥全壓差開啟要求，使其符合API 6D 對管線平板閘閥的規(guī)定，保證平板閘閥的密封性能和使用壽命。

2 平板閘閥密封原理

平板閘閥的主要部件有閥體、閥蓋、閥桿、閘板和閥座組件等，見圖1。兩個(gè)閥座組件采用單活塞結(jié)構(gòu), 閘板與閥桿間采用T 形連接，閘板可以沿介質(zhì)方向浮動(dòng)，兩閥座組件以閘板為中心對稱分布，與閘板形成一套浮動(dòng)組合件，通過閘板升降來實(shí)現(xiàn)流體的截?cái)嗪土魍?。一般情況閘板上升為開啟，下降為關(guān)閉。當(dāng)閘板向下關(guān)閉后，兩端閥座組件在尾部預(yù)緊彈簧的作用下使之抱緊閘板形成初始密封，介質(zhì)推動(dòng)上游閥座貼緊閘板，形成自緊密封，介質(zhì)壓力越高密封力越大。當(dāng)上游密封發(fā)生破壞后，閘板可浮動(dòng)，在介質(zhì)作用下，閘板可以與下游閥座形成第二道自緊密封。由于閘板是浮動(dòng)的，無論是上游閥座密封還是下游閥座密封，巨大的介質(zhì)推力均由下游閥座承受。

圖1 平板閘閥示意圖

3 閥座損傷現(xiàn)象與損傷原因分析

3.1 閥座損傷現(xiàn)象

閥座組件由閥座支撐環(huán)、閥座和O 形圈等組成，閥座為密封件，通常選擇為增強(qiáng)四氟等非金屬材料，閥座支撐環(huán)是用于固定和支撐閥座的金屬部件，閥座支撐環(huán)上設(shè)計(jì)有閥座固定槽，閥座安裝于其中。當(dāng)閥門組裝后進(jìn)行全壓差開啟試驗(yàn)時(shí)，一端進(jìn)壓，另一端無壓力，對閥門進(jìn)行開啟，底部閥座（面對流道6 點(diǎn)鐘位置）突起（圖2），當(dāng)閘板關(guān)閉時(shí)，突起部分被剪切形成缺口（圖3），造成閥門泄漏。

3.2 損傷原因分析

當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，閘板自上而下運(yùn)動(dòng)，將閥座與閥座固定槽底部間空氣大部分?jǐn)D壓到閥座支撐環(huán)底部（面對流道6 點(diǎn)鐘位置）。閥門單端進(jìn)壓進(jìn)行全壓差開啟時(shí)，下游閥座承受全部介質(zhì)推力，下游閥座與環(huán)槽底部間的空氣被壓縮到非常高的壓力，閥門進(jìn)行開啟時(shí)，閘板與閥座開始脫離，當(dāng)閘板下邊緣到達(dá)閥座內(nèi)側(cè)邊緣即將脫離時(shí)，閥門還未泄壓，但下游閥座已有部分已與閘板脫離，局部受力失去平衡，閥座會被環(huán)槽底部壓縮空氣推出，形成局部凸起，造成破壞。

4 當(dāng)前結(jié)構(gòu)及工藝處理缺點(diǎn)

當(dāng)前高壓平板閘閥的閥座組件設(shè)計(jì)，各個(gè)制造工廠存在一定差別。有的工廠的閥門在5MPa 的壓差下開啟，閥座即被破壞；有的工廠的閥門在10MPa 的壓差下開啟，閥座即被破壞。為了滿足API 6D 中全壓差開啟的要求，制造工廠對閥座支撐環(huán)或閥座進(jìn)行了改進(jìn)，常見方式如下。

圖2 閥座凸起

圖3 閥座被閘板剪切

（1）采用強(qiáng)度和硬度高的閥座材料。這一方式雖然能夠滿足全壓差開啟的要求，但低壓密封困難，要求加工精度高，閥門壓力試驗(yàn)返修率高。

（2）采用硬度較高的閥座材料，用強(qiáng)力粘接劑將閥座與閥座支撐環(huán)粘接。這種方式一般可以承受一至三次的全壓差開啟，滿足出廠要求，但在實(shí)際使用中多次啟閉后，閥座又被破壞或變形，造成閥門內(nèi)漏，影響管線運(yùn)行。

（3）采取組合式閥座支撐環(huán)，閥座支撐環(huán)分成兩部分，將閥座卡在組合閥座支撐環(huán)中。但這一方式加大了內(nèi)件尺寸，從而需要加大閥體尺寸，組合閥座支撐環(huán)加工形狀較復(fù)雜，精度要求高，增加了制造成本。

5 閥座組件結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案、工作原理及試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 閥座組件結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，在不影響原閥門整體尺寸的基礎(chǔ)上，對閥座組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，成功的解決了全壓差開啟閥座損傷的問題，保證了平板閘閥的密封性能和使用壽命。具體結(jié)構(gòu)如下（見圖4）。

（1）在閥座支撐環(huán)放置閥座的環(huán)槽底部均布一定數(shù)的排氣孔,孔直徑為2.5 ～4mm，在不與其他加工尺寸干涉時(shí)，盡量取大值。排氣孔中心線與環(huán)槽底部面重合，使環(huán)槽底部與閥座支撐環(huán)外環(huán)面貫通。DN400 及以下均布4 個(gè)，DN500-DN900 均 布6 個(gè)，DN1000-DN1600 至少均布8 個(gè)。

（2）在環(huán)槽開口位置外側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)突出1mm 左右的止口。

（3）在環(huán)槽底部，最先與閘板脫離位置，設(shè)計(jì)平衡孔（見圖5）。平衡孔的大小、間距和數(shù)量的確定準(zhǔn)則：L：閘板與閥座脫離時(shí)，閘板下邊緣與閥座支撐環(huán)環(huán)槽外圓兩交點(diǎn)的距離；N：設(shè)計(jì)需要的至少平衡孔數(shù)量；n:平衡孔計(jì)算數(shù)量；d：平衡孔直徑(d 一般取2.5 ～4mm，在不與其他加工尺寸干涉時(shí)，盡量取大值)；l：平衡孔中心距離，l=3d。

圖4 閥座組件局部圖

圖5 閘板即將脫離底部閥座

當(dāng)n 有小數(shù)時(shí)，直接進(jìn)一位圓整；當(dāng)n 為奇數(shù)時(shí)，N=n；當(dāng)n 為偶數(shù)時(shí)，N=n+1。

L、l 和d 見示意圖5。

以上公式適用于DN25 以上的平板閘閥，DN25 及以下的平板閥只需要設(shè)計(jì)一個(gè)平衡孔（N=1），及將其中一個(gè)排氣孔安裝到閥門流到底部（面對流道6 點(diǎn)鐘位置）即可。

5.2 改進(jìn)后閥座組件結(jié)構(gòu)的工作原理

閥座安裝在閥座支撐環(huán)的環(huán)槽中之后，在高壓設(shè)備壓緊時(shí)，閥座底部與環(huán)槽之間的空氣通過均布的排氣孔排除，閥座發(fā)生冷流，以此填滿整個(gè)環(huán)槽，止口處也會完全貼合，再完成閥座密封面的加工即可組裝。閥門組裝后進(jìn)行全壓差開啟試驗(yàn)時(shí)，閥門關(guān)閉，閘板向下運(yùn)動(dòng)，使閥座底部與環(huán)槽間的空氣向底部（面對流道6 點(diǎn)鐘位置）擠壓，均會通過底部平衡孔排出；閘板關(guān)閉到位，上游進(jìn)壓，介質(zhì)將閘板推向下游閥座，下游閥座承受巨大的推力，閥座底部與環(huán)槽底部間殘留的空氣再次從平衡孔中排出，防止積壓。當(dāng)閥門進(jìn)行開啟時(shí)，閘板與閥座開始脫離，當(dāng)閘板下邊緣到達(dá)閥座內(nèi)側(cè)邊緣時(shí)，此處閥座前后壓力平衡，閥座不會發(fā)生破壞。即使有少量殘留空氣使閥座有向外推出的趨勢，也會被環(huán)槽頂部的止口擋住，從而防止閥座破壞。

5.3 改進(jìn)后閥座組件結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證

針對改進(jìn)后的閥座組件結(jié)構(gòu)，采用了DN50 PN150、DN100 PN150、DN350 PN150、DN600 PN150 和DN800 PN100 共5 個(gè)規(guī)格的平板閘閥各一臺進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，每個(gè)閥座進(jìn)行20 次（每臺閥門共進(jìn)行40 次）全壓差開啟試驗(yàn)，PN150 閥門的試驗(yàn)壓差為不低于15MPa，PN100 閥門的試驗(yàn)壓差為不低于10MPa。試驗(yàn)前按照 API 6D 要求對閥座進(jìn)行了高壓水密封試驗(yàn)，均合格，然后每5 次全壓差開啟試驗(yàn)后對閥座進(jìn)行表面檢查，并按照 API 6D 要求進(jìn)行一次高壓水密封試驗(yàn)。完成所有試驗(yàn)后再次對閥座組件進(jìn)行檢查，閥座高壓水密封試驗(yàn)合格，閥座表面無損傷。

試驗(yàn)結(jié)果表明安裝改進(jìn)后閥座組件的高壓平板閘閥能夠滿足全壓差開啟要求，且性能穩(wěn)定，使用改進(jìn)后閥座組件高壓平板閘閥將極大的降低管道工程閥門內(nèi)漏的可能性。

圖6 DN350 PN150 規(guī)格試驗(yàn)

圖7 DN600 PN150 規(guī)格試驗(yàn)

6 結(jié)語

本文對高壓平板閘閥全壓差開啟時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行了分析，提出了一種新的閥座組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，從原理上徹底解決了高壓平板閘閥全壓差開啟時(shí)閥座破壞的問題。新閥座組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎不影響原閥門整體尺寸，基本不增加閥門生產(chǎn)總成本，又滿足高壓平板閘閥全壓差開啟要求，符合API 6D 規(guī)定，可保證高壓平板閘閥的密封性能和使用壽命。