新型伸縮式無摩擦球閥性能試驗

楊康新 馮玉龍 楊昌群 楊振寧

（1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司華南分公司；2.西安航天遠征流體控制股份有限公司）

新型伸縮式無摩擦球閥 （以下簡稱新型球閥）采用創(chuàng)新研制的四閥瓣式的閥芯-閥瓣結(jié)構(gòu)，其機械承載傳動機構(gòu)采用復(fù)合螺旋傳動結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)閥門無摩擦啟閉時閥芯閥瓣的90°旋轉(zhuǎn)以及閥門全開位置下閥體、閥瓣和閥芯流道的一致對齊，確保可靠通球，解決了長輸油管道工程中通用球閥存在的操作扭矩大、抗污染性能差、易被雜質(zhì)卡滯劃傷密封面及使用壽命短等問題［1～3］。但由于新型球閥結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，各部件匹配性要求較高， 導致目前國內(nèi)外并無類似結(jié)構(gòu)可以借鑒。若直接將新型球閥安裝于輸油管線并投用，其可靠性未經(jīng)驗證，一旦發(fā)生故障或失效，將導致管線停輸檢修，甚至發(fā)生事故，造成巨大損失［4～6］，因此其可靠性的考核評估極為重要。

為了充分考核驗證新型球閥的結(jié)構(gòu)和性能，降低產(chǎn)品直接上線安裝應(yīng)用可能帶來的故障風險，筆者制定了3 個閥門性能試驗方案，包括負載通球試驗、抗污染性能試驗和閥門啟閉重復(fù)性試驗，搭建相應(yīng)的試驗系統(tǒng)，完成性能試驗，提高產(chǎn)品使用可靠性，保障相關(guān)化工系統(tǒng)設(shè)備的使用安全。

1 試驗對象

1.1 新型球閥

新型球閥（圖1）DN250mm、PN10MPa，主要安裝于油品輸送管線中的收發(fā)球筒位置，用于清管作業(yè)時的收發(fā)球清管流程。 在實際使用時，介質(zhì)中所含清管雜質(zhì)較多， 要求閥門通球順暢、密封可靠、抗污染性能強［7，8］。

圖1 新型球閥實物圖

1.2 工作原理

新型球閥的主閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)為四閥瓣式的閥芯-閥瓣結(jié)構(gòu)， 具體為楔形閥芯四周連接四塊閥瓣（一對開位閥瓣和一對關(guān)位閥瓣），配合閥門上部的機械傳動機構(gòu)，帶動閥芯完成“提升+90°旋轉(zhuǎn)+下降”的組合運動，從而實現(xiàn)閥門的無摩擦啟 閉動作。 具體的工作原理如圖2 所示。

圖2 新型球閥工作原理示意圖

閥門打開過程為：機械傳動機構(gòu)使楔形閥芯提升，閥芯帶動四閥瓣（密封件）徑向縮回，使四閥瓣脫離閥體，在密封件與閥體無接觸的情況下轉(zhuǎn)動90°， 閥芯通道與開位閥瓣流道水平方向?qū)R，之后操作器帶動閥芯下降，使閥芯流道、開位閥瓣流道和閥體流道完全對齊，閥門打開。

閥門關(guān)閉過程為：機械傳動機構(gòu)帶動閥芯提升， 在四閥瓣與閥體無接觸的情況下反向轉(zhuǎn)動90°，直到關(guān)位閥瓣與閥體出入口對齊，然后驅(qū)使閥芯向下運動，楔形閥芯向外推動關(guān)位閥瓣使之與閥體內(nèi)腔密封面貼合，密封件密封，從而切斷上游和下游。

2 試驗方案及結(jié)果分析

2.1 負載通球試驗

新型球閥作為清管作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其通球可靠性直接影響輸油管線的正常運行，因此需要通過負載通球試驗驗證新型球閥的通球性能。試驗驗證系統(tǒng)如圖3 所示（其中，“6-300”指閥門通徑壓力規(guī)格，具體為NPS6 Class300；其余規(guī)格表示均類似）。

圖3 負載通球試驗驗證系統(tǒng)示意圖

清管器分別選用泡沫清管器和雙向直板清管器［9～11］，如圖4 所示。

圖4 清管器實物圖

負載通球試驗過程如下：

a. 關(guān)閉新型球閥入口、 出口支路開關(guān)閥，將雙向直板清管器放入發(fā)球筒，打開新型球閥。 通過閥前調(diào)節(jié)閥和旁路手動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)主管路壓力為0.4MPa，先后打開入口支路開關(guān)閥和出口支路開關(guān)閥，液流壓力推動雙向直板清管器順利通過新型球閥，到達收球筒處。

b. 調(diào)節(jié)主管路壓力為0.2MPa， 重復(fù)上述試驗過程，試驗中發(fā)現(xiàn)雙向直板清管器未動。 分析認為雙向直板清管器兩側(cè)壓差太小，產(chǎn)生的液壓推力未能推動雙向直板清管器運動。 之后調(diào)節(jié)主管路壓力至0.28MPa， 雙向直板清管器順利通過新型球閥，到達收球筒處。

c. 將雙向直板清管器更換為泡沫清管器，分別在主管路壓力1.0、0.5、0.4、0.3MPa 的工況條件下，重復(fù)上述通球試驗過程。 泡沫清管器均能順利通過新型球閥，到達收球筒處。

分析上述試驗結(jié)果可知，清管器能夠運動的最小壓差約0.28MPa， 新型球閥樣機產(chǎn)品開關(guān)動作順暢，在不同壓力工況下都能可靠通球。

2.2 抗污染性能試驗

為了驗證新型球閥的抗污染性能，確保閥門在清管作業(yè)中有效阻擋雜質(zhì)，開展了抗污染性能試驗（圖5）。新型球閥兩側(cè)與管路相連，靠近球閥的出、入口處設(shè)置有雜質(zhì)加注口1、2，管路兩側(cè)均連有水泵，通過液流壓力推動雙向直板清管器進行清管排污操作。 試驗時加注的雜質(zhì)類型為泥沙、石塊及鐵渣等。 通過在清管器兩側(cè)加注雜質(zhì)，并推動清管器在試驗管道內(nèi)做往復(fù)運動，完成新型球閥的抗污染性能試驗。

圖5 抗污染性能試驗裝置示意圖

新型球閥的抗污染性能試驗考核指標如下：

a. 每次負載通球試驗后， 關(guān)閉新型球閥，觀察閥門是否可以完全關(guān)閉（無卡滯、過力矩等現(xiàn)象，并實現(xiàn)零泄漏密封）；

b. 100 次抗污染性能試驗后，分解閥門，通過觀察記錄并計算排污墊板的雜質(zhì)堆積殘留量，驗證新型球閥的抗污染性能。

試驗過程為：

a. 新型球閥處于完全打開狀態(tài)，雙向直板清管器位于試驗系統(tǒng)入口側(cè)， 從加注口1 加入1kg雜質(zhì)（500g 泥沙+500g 鐵渣），在入口側(cè)水壓作用下，清管器推動雜質(zhì)通過新型球閥到達試驗系統(tǒng)出口側(cè)，之后通過電動執(zhí)行器關(guān)閉、開啟新型球閥兩次。

b. 從加注口2 加入600g 雜質(zhì) （500g 泥沙+100g 鐵渣），在出口側(cè)水壓作用下，清管器推動雜質(zhì)通過新型球閥到達試驗系統(tǒng)入口側(cè)，之后通過電動執(zhí)行器關(guān)閉、開啟新型球閥兩次。

c. 按上述試驗過程，每間隔一次試驗，就加注600g 雜質(zhì)（500g 泥沙+100g 鐵渣），共進行抗污染性能試驗100 次，期間共加注雜質(zhì)50 次。

試驗完成后， 拆取試驗系統(tǒng)兩側(cè)試驗法蘭，試驗系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)情況如圖6 所示，同時分解新型球閥，墊板雜質(zhì)堆積及閥座、閥瓣密封面情況如圖7 所示。 匯總試驗數(shù)據(jù)并分析試驗結(jié)果可知，100 次抗污染性能試驗中， 共加注雜質(zhì)31 000g，新型球閥啟閉動作順暢、無卡滯現(xiàn)象，試驗后閥內(nèi)幾乎沒有顆粒狀殘留雜質(zhì)， 閥座密封面良好，關(guān)位閥瓣的橡膠密封圈無磨損和刮痕。 可見，新型球閥具有良好的抗污染性能且密封可靠。

圖7 墊板雜質(zhì)堆積及密封面情況

2.3 閥門啟閉重復(fù)性試驗

2.3.1 動載啟閉重復(fù)性試驗

利用負載通球試驗臺， 調(diào)節(jié)新型球閥所在管路的介質(zhì)壓力， 使新型球閥關(guān)閉后出入口壓差為8MPa（調(diào)研結(jié)果表明，實際使用過程中的最大工作壓差為8MPa）。在此試驗條件下，新型球閥每啟閉5 次，進行一次負載通球試驗，若能順利通球，則認為新型球閥的閥位啟閉重復(fù)性可靠。

試驗過程中， 新型球閥一共啟閉200 次，通球試驗41 次。 試驗結(jié)果表明，每次試驗都實現(xiàn)了可靠通球，閥位啟閉重復(fù)性良好，符合設(shè)計要求。

2.3.2 靜載啟閉重復(fù)性試驗

2.3.2.1 水平方向

在新型球閥的靜載啟閉重復(fù)性試驗中，閥門頂端指示桿處通過專用工裝連接編碼器， 用于記錄閥門每次全開、全關(guān)時的閥位角度。 試驗中通過編碼器采集新型球閥每次啟、閉后的水平閥位，新型球閥共啟閉150 次，統(tǒng)計得到閥位角度如圖8所示。 由圖8 可知，閥門在開啟、關(guān)閉兩個位置的閥位角度幾乎無波動變化，閥位角度最大波動值為0.14°，閥門啟閉重復(fù)性良好。

圖8 閥門開啟、關(guān)閉位置的閥位角度

2.3.2.2 豎直方向

在新型球閥的靜載啟閉重復(fù)性試驗中，閥門全開時，測量記錄新型球閥頂部指示桿與編碼器工裝上端面的閥位距離， 新型球閥啟閉150 次，統(tǒng)計得到的閥位距離如圖9 所示。 由圖9 可知，豎直方向閥位距離的最大波動差值為0.22mm，復(fù)位精度高。 試驗結(jié)果表明，新型球閥的閥門啟閉重復(fù)性良好，閥門全開時能夠保證流道完全對齊，通球可靠，性能穩(wěn)定。

圖9 豎直方向上的閥位距離

3 結(jié)束語

通過研究分析新型球閥的結(jié)構(gòu)性能及管線應(yīng)用的使用工況指標，制定了一系列性能試驗方案，完成了新型球閥的性能試驗。 試驗充分考核驗證了新型球閥的結(jié)構(gòu)功能，閥門在設(shè)定的負載工況下通球可靠，抗污染性能優(yōu)良，閥位啟閉重復(fù)性能良好，性能穩(wěn)定。

另外，這種針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能及復(fù)雜使用工況專門制定的性能試驗考核驗證方法，可以推廣應(yīng)用于其他類似泵閥產(chǎn)品的研制過程中，能夠極大地降低產(chǎn)品正式應(yīng)用后的故障風險。