超高壓采氣井口平板閘閥密封結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

李雪野

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司，遼寧盤(pán)錦 124000）

0 引言

超高壓采氣井口平板閘閥能夠在強(qiáng)大的壓力下保持封閉狀態(tài)，而且使用便捷，容易掌控，在各種強(qiáng)壓類型的工程中被廣泛使用。但是，如果井內(nèi)的壓力過(guò)小，壓力值＜10 MPa 時(shí)，其平板閘閥的封閉性反而變得非常差。以API6A 作為標(biāo)準(zhǔn)，平板閘閥一定要在經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)后再投入使用?？梢园哑桨彘y放到氣壓在1.8～2.2 MPa 的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，品質(zhì)好的平板閘閥必須能適應(yīng)高壓環(huán)境，也要能夠適應(yīng)低壓環(huán)境，才能夠保持其封閉性始終良好。通常情況下，被應(yīng)用到高壓井內(nèi)的平板閘閥，內(nèi)部零件之間的密封選用金屬密封方式。其原理是利用超高壓環(huán)境，利用中間的強(qiáng)壓來(lái)使平板和閥座緊緊連接。在氣壓較低的環(huán)境里，則必須進(jìn)行嚴(yán)密設(shè)計(jì)，通過(guò)控制密封面上的密封比壓，來(lái)使平板閥門(mén)零部件之間產(chǎn)生預(yù)緊力，使閥座與閘板之間產(chǎn)生壓力，從而緊密地連接到一起。

經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的分析研究，選用不同種類的平板閘閥進(jìn)行實(shí)際操作演練，發(fā)現(xiàn)密封副工藝尺寸鏈、總的位置公差和零部件的選材等，都與平板閘閥的密封性能有著非常密切的關(guān)系。密封副間的距離要符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，才能確保整個(gè)加工項(xiàng)目的精準(zhǔn)性，還要盡可能計(jì)算出精確的O 形圈、非金屬密封壓縮量、波形彈簧的預(yù)緊力數(shù)據(jù)。提出平板閘閥在超高壓采氣井口下也能保持密封嚴(yán)緊的辦法。

1 平板閘閥的密封結(jié)構(gòu)

1.1 平板閘閥底座同閘板的密封

最普遍、最常用的平板閘閥是單閘板閥和雙閘板閥，不同的工作需要不同的閘板。為使閘板同閥座之間能夠緊密連接，一般選擇金屬對(duì)金屬壓力自緊式浮動(dòng)密封方法，可以按照結(jié)構(gòu)差異劃分成進(jìn)口端密封和出口端密封兩類。

單閘板通常形如板磚，有孔隙，表面比較平滑整齊，閘板的密封表面經(jīng)過(guò)了硬化處理和打磨拋光，硬度非常合適，適宜應(yīng)用到氣壓比較高的工作環(huán)境中。其工作原理簡(jiǎn)單，即打開(kāi)閥門(mén)，其閘板上的孔隙同閥座的孔隙完整對(duì)接，再同管道結(jié)合而構(gòu)成一個(gè)完善通道，介質(zhì)不會(huì)因?yàn)橥ㄟ^(guò)閥門(mén)而受到過(guò)強(qiáng)阻力造成損耗。無(wú)論是選擇在進(jìn)口處密封還是在出口處密封，都要確保浮動(dòng)的閘板同閥座緊密連接，才能有效避免其介質(zhì)內(nèi)含的物質(zhì)損壞閘板。如果閘板是在低壓環(huán)境下工作，可以利用密封圈或厘米彈簧的預(yù)壓力同密封面結(jié)合，產(chǎn)生油膜，從而達(dá)到密封效果。

雙閘板一般是擴(kuò)張型的組織結(jié)構(gòu)，包括主板和副板兩個(gè)板面，按照行程擋塊來(lái)確定副板的位置。在運(yùn)行工作期間，主板依靠?jī)?nèi)斜面來(lái)?yè)伍_(kāi)閘板，如果遇到低壓的工作環(huán)境，最好由人工操作使其密封完整；在高壓環(huán)境下工作，則需要靠其中流動(dòng)的介質(zhì)來(lái)密封。雙閘板有很多優(yōu)勢(shì)，尤其能夠減緩密封面的磨損程度，摩擦通常發(fā)生在內(nèi)斜面上，起到一定的保護(hù)作用，增強(qiáng)其密封性，從而增加使用年限。

雖然雙閘板有一定優(yōu)勢(shì)，但就總體的性能而言，雙閘板尚顯繁雜，制作、安裝工作都比較困難，資金投入遠(yuǎn)大于單閘板閥。因此，我國(guó)的大部分企業(yè)選擇各方面相差不大的單閘板閥，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境、單閘板閥無(wú)法投入使用時(shí)，才會(huì)制作和安裝雙閘板閥。

1.2 密封閥桿填料處

閥桿填料處需要密封完整，一般用密封圈將兩者密封，按照具體模式有三種密封方法，包括機(jī)械式密封、半機(jī)械式密封和自封式唇形復(fù)合密封。當(dāng)氣壓＞70 MPa 時(shí)，密封閥桿填料處會(huì)選擇此種密封方式。該密封方式將形狀像嘴唇的密封圈鑲嵌到密封槽內(nèi)，形成O 樣式的圈體，能夠提升整個(gè)密封圈裙部的彈性，讓此部位密封性更好。在氣壓非常高的環(huán)境中，一般會(huì)將填料函設(shè)計(jì)成雙層的密封圈，此時(shí)僅依賴旋緊閥帽將整個(gè)結(jié)構(gòu)密封是非常困難的，其零部件的承受力也不足。為保證整個(gè)組織不出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，可以在入口處涂抹密封膏或密封油脂，在閥桿上設(shè)計(jì)出倒密封結(jié)構(gòu)，使密封工作得到多重保障，一旦密封環(huán)境被破壞，密封膏也會(huì)被破壞，此結(jié)構(gòu)能夠防止介質(zhì)泄漏。倒密封結(jié)構(gòu)中的零件可以隨時(shí)替換，操作簡(jiǎn)單快捷，能夠確保工程在安全的環(huán)境下正常運(yùn)行。因?yàn)樘盍咸幍慕Y(jié)構(gòu)可以移動(dòng)，只有擁有較強(qiáng)大的徑向力才能夠產(chǎn)生適合的比壓，符合密封要求。同時(shí)，密封時(shí)要在最大程度上減少摩擦和破損問(wèn)題。密封問(wèn)題必須引起工作人員的重視，否則會(huì)直接縮短產(chǎn)品的使用期限，甚至威脅工作人員的生命安全。

1.3 密封閥座與閥體間隙

通常情況下，選擇字母O 樣式的圈體或者D 形圈來(lái)進(jìn)行密封工作，保證兩者接觸的任何部位都能密封完整，且有雙重保障。

1.4 密封好閥體與閥蓋連接的位置

在氣壓值非常高的環(huán)境下工作，平板閥的閥體和閥蓋相連的地方必須要密封完整。一定要計(jì)算出精準(zhǔn)可靠的比壓數(shù)值，并保證加工的精確度和材料品質(zhì)符合相關(guān)要求。一般情況，此密封位置選用J 形圈，以確保其各部分承擔(dān)的壓力符合限制。J 形圈上部分是緊實(shí)的，整個(gè)承受的壓力非常小，能夠盡可能減縮，提升密封性。

2 增強(qiáng)密封性的有效方案

2.1 嚴(yán)格把控密封副工藝尺寸鏈及位置公差

增強(qiáng)平板閘閥的密封性，一定要把其尺寸和位置公差控制在合理范圍里，符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。閥體中的很多零部件之間必須留有裝配間隙，比如閥座孔與閘板、閥座密封副，這樣才使平板閘閥能夠安裝完備，以保證正常裝配。其次，一定要將密封副之間的間隙控制在合理界限內(nèi)，否則會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，如閘板會(huì)因所受阻力過(guò)大而難以控制開(kāi)閉，嚴(yán)重影響密封結(jié)構(gòu)，使整個(gè)設(shè)備都不能正常工作。

2.2 提升密封副之間加工的精準(zhǔn)程度

①閥體和閥座的結(jié)合面一定不能太粗糙或凹凸不平，超高壓平板閥的閘板和閥座表面噴焊的耐蝕合金表層結(jié)構(gòu)也必須是細(xì)致精密的，避免出現(xiàn)氣孔、針眼等情況。其有效層的厚度要控制在0.5 mm 左右，合金表層同基體要合二為一，避免出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題；②進(jìn)行噴焊工作時(shí)，應(yīng)該結(jié)合兩類金屬的實(shí)際膨脹系數(shù)，選擇恰當(dāng)合適的處理方案，保證密封界面大小恰當(dāng)、堅(jiān)硬度適宜，且整個(gè)表層的抗腐蝕性和耐磨性都得到保障，防止出現(xiàn)不必要的縫隙；③之后要打磨整個(gè)密封面，選擇恰當(dāng)?shù)难心ゼ记?、方案和工具，不能產(chǎn)生劃痕；④研磨后進(jìn)行拋光，盡可能將表層打造得光滑透亮，去除摩擦后的雜質(zhì)，避免實(shí)際應(yīng)用閘閥時(shí)出現(xiàn)泄漏問(wèn)題。

2.3 科學(xué)計(jì)算閥座端面O 形圈、非金屬密封壓縮量和波形彈簧的預(yù)緊力

如果制作的平板閘閥需在＜70 MPa 的環(huán)境中運(yùn)行，要科學(xué)恰當(dāng)?shù)赜?jì)算整個(gè)閘板的厚度和密封面尺寸，熟知所使用的不同形狀密封圈的變形情況。掌握好上述數(shù)據(jù)，既能夠在低壓環(huán)境下保持密封狀態(tài)，又很容易裝卸，不需要投入太多資金。如果制作的平板閘閥需在＞70 MPa 的環(huán)境中運(yùn)行，則要利用波形彈簧增加預(yù)緊力。使用這種密封形式時(shí)，彈簧的性能和品質(zhì)尤為關(guān)鍵，必須保證彈簧的彈力適中，避免因彈力太大而出現(xiàn)運(yùn)行阻力，使零部件安裝工作受阻，造成整個(gè)設(shè)備也不太容易開(kāi)閉。此外，位置移動(dòng)問(wèn)題也要列入考慮范圍，必須保證彈簧能承擔(dān)其擔(dān)負(fù)的工作要求。

3 分析閘閥制作技術(shù)和投入使用后的具體情況

3.1 選擇密封副閘板和閥座的原材料并進(jìn)行制作

閘板和閥座都使用1Cr13 材料。整個(gè)工藝流程選擇3 步工藝法，即一回淬火和兩次回火。特別注意的是，一定要提前將材料預(yù)熱，再進(jìn)行鍛造工作。如果預(yù)熱時(shí)出現(xiàn)異常情況，如1Cr13鍛件毛坯加熱到奧氏體化溫度后出現(xiàn)冷退火現(xiàn)象，說(shuō)明制作工藝出現(xiàn)了問(wèn)題。一定要不厭其煩地進(jìn)行預(yù)熱工作，不斷改進(jìn)制作技術(shù)，確保打造出來(lái)的材料合格時(shí)再進(jìn)行下一步工作。

3.2 噴焊耐蝕合金

向閘板和閥座上噴焊耐蝕合金，確保其符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.3 2 種平板閥選用的密封結(jié)構(gòu)必須不同

如1 個(gè)選擇O 形圈，1 個(gè)選用波形彈簧結(jié)構(gòu)。必須確保其整個(gè)尺寸鏈的精準(zhǔn)精確，之后再將其放在水壓和氣壓2 種環(huán)境內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

當(dāng)平板閥在水壓數(shù)值為105 MPa 的環(huán)境中工作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解到其保壓期共15 min，其曲線首段陡峭，陡峭的部分是上升期，之后的平穩(wěn)階段是保壓期，最后是卸壓期。分析保壓曲線可知，平板閥密封性量，滿足相關(guān)規(guī)范要求。當(dāng)平板閥在水壓為70 MPa 的環(huán)境中進(jìn)行工作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解到其保壓期為10 min，說(shuō)明平板閥的密封性比較好，滿足相關(guān)要求。

當(dāng)平板閥在氣壓為105 MPa 和2.2 MPa 的環(huán)境中工作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解到其保壓時(shí)間是15 min，在0～10.5 min 呈上升趨勢(shì)，在10.5～25.5 min 是保壓階段，在25.5 min 之后出現(xiàn)了泄壓情況，而30～45 min 屬于低壓的保壓期?？傮w來(lái)說(shuō)，其密封性也是非常不錯(cuò)的。當(dāng)平板閥在氣壓為35 MPa 和2.2 MPa 的環(huán)境中工作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解到其保壓時(shí)間基本上都是15 min。

不論平板閥是在超高壓環(huán)境下還是在超低壓環(huán)境下進(jìn)行工作，都能夠達(dá)到很好的密封效果。

4 結(jié)論

與超高壓采氣井口平板閘閥嚴(yán)密性有直接關(guān)系的影響要素非常多，其中閘板和閥座的厚度、密封面的尺寸等都屬于首要影響因素。為了提升超高壓平板閘閥的嚴(yán)密性，需要重視以下3點(diǎn)：①提前設(shè)計(jì)和規(guī)劃制作方案，明確選用的材料類型和技術(shù)方案；②確保密封副的品質(zhì)，將其尺寸和位置控制在要求范圍內(nèi)，提升其精準(zhǔn)度；③選擇波形彈簧或O 形圈密封結(jié)構(gòu)，給密封工作增添多重保障。

完全密封好高等級(jí)井口平板閥是非常困難的工作，但只要按照上述要求進(jìn)行工作，嚴(yán)密把控每個(gè)環(huán)節(jié)，一定能不斷提升其密封性，促使所有應(yīng)用平板閘閥的工程項(xiàng)目都能夠順利進(jìn)行。