新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐林娟，朱正杰，葉顯斌，母澤冰，林潘忠

（1.歐維克集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325005；2.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325035）

高壓介質(zhì)管道在石油化工、制藥等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。 為了保證其出口達(dá)到零泄漏，通常需要在管道上串聯(lián)安裝兩個(gè)閥門。當(dāng)兩個(gè)閥門同時(shí)關(guān)閉后，管道下游閥門只需截?cái)嗌嫌伍y門泄漏過來的低壓介質(zhì)，確保下游閥門出口達(dá)到零泄漏，其缺點(diǎn)是密封效果差、使用成本高[1]。

雙聯(lián)球閥是指在一臺閥門上裝有兩個(gè)球閥，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)開關(guān)，也可以一開一關(guān)，實(shí)現(xiàn)雙堵塞與排放功能，具有安裝方便、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前，多數(shù)雙聯(lián)球閥存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高、使用不便、密封性能不佳、適應(yīng)性不廣泛等諸多缺陷[2]。設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)越的新型雙聯(lián)浮動(dòng)球閥十分必要。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)新型雙聯(lián)浮動(dòng)球閥，需注意出口端的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。閥后閥座受力要遠(yuǎn)大于閥前閥座[2]。在材料允許的情況下，壓力越高，密封性能越好[3]。

1.1 閥座的受力分析

閥座密封如圖1所示。浮動(dòng)球閥的閥座密封總作用力為：

圖1 閥座密封示意圖

式中：FMJ為閥座密封面上的介質(zhì)作用力；FMY為預(yù)緊力。

對于高壓球閥，為簡化計(jì)算，忽略FMY，則得出：

式中：DMN為密封面內(nèi)徑；DMW為密封面外徑。

1.2 閥座的密封比壓q計(jì)算

AMN為密封面的投影面積。

代入式（3），可得：

必須比壓：

式中，K為介質(zhì)壓力影響系數(shù)；C為密封面材料相關(guān)系數(shù)

bM為密封面寬度。設(shè)計(jì)時(shí)，必須使得qb＜q＜[q]，[q]為許用比壓。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

針對目前常見雙聯(lián)球閥結(jié)構(gòu)存在的弊端，設(shè)計(jì)了一種新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥，在滿足密封性能要求的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)在線取樣功能。

新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由主閥體、左閥體、右閥體、閥座、密封圈、球體、后閥座、唇形密封圈、墊片、纏繞墊、閥蓋、閥桿、填料室、填料壓蓋、定位片、手柄組成。新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥為全通徑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參照API 6D的規(guī)定。球閥整體結(jié)構(gòu)為浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)；閥體為三片式結(jié)構(gòu)；球體為浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)；通過碟簧加載預(yù)緊進(jìn)口側(cè)閥座；通過前后兩密封圈將彈簧與粉塵隔離，以避免彈簧腔卡死；采用本體堆焊焊接出口側(cè)閥座，以消除分體閥座和閥體之間的泄漏點(diǎn)；殼體為鍛造件，避免了疏松、氣孔、砂眼和夾砂等鑄造缺陷，以滿足高壓工況下的嚴(yán)苛條件。

圖2 高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥總體結(jié)構(gòu)

2.1 閥桿防沖出及有效密封結(jié)構(gòu)

新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥的閥桿設(shè)置采用密封墊片的倒密封結(jié)構(gòu)。倒密封的密封力隨閥腔介質(zhì)壓力的增大而增大，從而確保閥桿的密封效果。將閥桿設(shè)計(jì)為頂部裝入結(jié)構(gòu)。閥桿頭部設(shè)有圓槽，套有兩對開圓環(huán)。密封套結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)計(jì)有退讓孔和防吹出臺階。在緊急情況時(shí)，可以通過防吹出對開圓環(huán)頂住防吹出臺階，實(shí)現(xiàn)閥桿的防吹出功能，確保產(chǎn)品的安全性。

圖3 密封套結(jié)構(gòu)

在填料設(shè)計(jì)時(shí)，采用組合填料并設(shè)有倒光臺階，能將閥腔內(nèi)部的介質(zhì)壓力及外部壓蓋的鎖緊力有效轉(zhuǎn)化成閥桿的密封力，以提高閥桿動(dòng)密封可靠性。

2.2 在線取樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥的兩個(gè)球體之間設(shè)置取樣閥。取樣閥體的進(jìn)口與閥體通道連通，出口與外界連通。在兩個(gè)取樣球體之間的取樣閥體內(nèi)通道構(gòu)成取樣腔，該取樣腔與設(shè)置在取樣閥體上的取樣口連通。在關(guān)閉雙聯(lián)球閥后，可以進(jìn)行在線取樣。使取樣閥在靜態(tài)、低壓狀態(tài)下取樣，可保證取樣的穩(wěn)定、安全、可靠。取樣結(jié)束后，可開啟出口側(cè)的取樣球體，從出口側(cè)灌入清水對取樣腔和取樣口通道進(jìn)行沖洗，避免殘留物對下次取樣的樣品產(chǎn)生污染。

2.3 閥座支承圈

如圖4所示，將新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥的閥座活塞設(shè)計(jì)為雙重壓力自密封結(jié)構(gòu)，第一重為耐高溫高壓的唇形密封圈結(jié)構(gòu)，第二重為由碟簧和耐高溫石墨密封圈組成的壓力自密封結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)為雙重壓力自密封結(jié)構(gòu)，可形成雙保險(xiǎn)，特別適合應(yīng)用于高壓氣體的密封處理。

圖4 閥座支承圈結(jié)構(gòu)

2.4 防火結(jié)構(gòu)

由于雙聯(lián)球閥一般被應(yīng)用在石油、天然氣等易燃易爆介質(zhì)的管道上，因此防火設(shè)計(jì)很重要[4]。在閥體和閥蓋連接部位，采用唇形密封圈和金屬纏繞墊片的組合密封結(jié)構(gòu)；在填料函部位，采用唇形密封圈和石墨填料的組合密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)使唇形密封圈燒損時(shí)，球閥的各個(gè)密封部位均能形成金屬硬密封結(jié)構(gòu)，可有效阻止易燃易爆介質(zhì)的擴(kuò)散，防止火災(zāi)擴(kuò)大。

3 樣機(jī)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，生產(chǎn)制造的新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥樣機(jī)如圖5所示。與原管道上串聯(lián)安裝的兩個(gè)閥門相比，使用該產(chǎn)品可降低成本約20%、減輕重量約35%。

圖5 新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥樣機(jī)

產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)如下：

①閥門通徑：NPS 2'（DN50）；

②壓力等級：2500LB（42MPa）；

③適用溫度：-29～200℃；

④泄漏等級：ISO 5208A級；

⑤材料符合：NACE MR-0175的要求；

⑥防火安全符合：API 607和API6FA的規(guī)定。

4 結(jié)語

隨著高壓管道的應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)外對雙聯(lián)球閥的需求也在不斷增加。設(shè)計(jì)、制造了一款新型高壓浮動(dòng)雙聯(lián)球閥，通過對閥體密封結(jié)構(gòu)、閥座活塞密封結(jié)構(gòu)、閥桿防吹出結(jié)構(gòu)、在線取樣結(jié)構(gòu)、防火結(jié)構(gòu)等進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，極大地提升了密封可靠性、密封等級和安全性，改變了原管道上需要安裝兩臺閥門的現(xiàn)狀，降低了使用成本。將該產(chǎn)品用在石油、天然氣等易燃易爆介質(zhì)的高壓管道上，性能優(yōu)勢更加明顯。