水下球閥密封性能分析與試驗研究*

楊山坡,李跟飛,張新奇,丁強偉,潘孝輝

(中國船舶集團(tuán)有限公司 第七二五研究所,河南 洛陽 471000)

0 引 言

隨著陸地石油資源的減少,海洋油氣開發(fā)已經(jīng)成為新的能源開發(fā)熱點。在水下油氣的開發(fā)設(shè)備中,水下閥門作為必不可少的關(guān)鍵設(shè)備常用在水下管匯、末端管線、采油樹燈系統(tǒng)中,其需求量巨大。水下閥門特殊的海水環(huán)境對其提出了不同于常規(guī)閥門的新要求:高壓、零泄漏燈。另外,由于水下閥門特殊的使用環(huán)境和驅(qū)動方式,因此其正常使用后,對其維護(hù)的難度相當(dāng)大。因此,水下閥門要具有極高的可靠性。

水下閥門的密封性能是其可靠性的重要指標(biāo),12″2500Lb上裝式水下球閥的球面密封結(jié)構(gòu)為固定球體、浮動閥座式密封,球體、閥座的密封形式采用金屬硬密封。筆者重點對該球閥球體與閥座的密封特性進(jìn)行仿真分析,驗證了設(shè)計的有效性,得出的結(jié)論可以為水下球閥的研制提供參考依據(jù)。

1 球閥主要參數(shù)及密封結(jié)構(gòu)特點

1.1 主要參數(shù)

結(jié)構(gòu)型式: 上裝式球閥;公稱通徑:12in. (300 mm);設(shè)計壓力:2 500Lb(42 MPa);產(chǎn)品等級:API 17D PSL 3G;設(shè)計水深:500 m;溫度等級:U;材料等級:FF;設(shè)計壽命:20年;操作方式:遙控操作裝置(ROV)/液動。

1.2 密封結(jié)構(gòu)特點

該水下球閥在正常使用時除了承受介質(zhì)內(nèi)壓外,還承受著海水外壓作用。為了防止介質(zhì)外漏或海水進(jìn)入閥內(nèi),閥體與環(huán)境之間一般設(shè)置兩道密封結(jié)構(gòu),其中金屬硬密封為主密封。球體前、后都安裝閥座,采用SPE(Single Piston Effect)和DPE(Double Piston Effect)的組合,水下球閥進(jìn)口端為SPE,出口端為DPE,稱為單-雙活塞效應(yīng)閥座(DIB-2型)。前、后閥座均安裝在具有活塞效應(yīng)的調(diào)節(jié)圈內(nèi),調(diào)節(jié)圈后的彈簧提供初始預(yù)緊力,使閥座壓緊球體[1],保證密封。水下球閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下球閥結(jié)構(gòu)示意圖

在球閥關(guān)閉時,前閥座承受流體介質(zhì)壓力和彈簧彈力的合力,使其被推向球體,與球體的接觸面上產(chǎn)生一定的密封比壓。該壓力使前閥座表面發(fā)生彈塑性變形,補償球體的加工誤差,防止介質(zhì)滲漏,保證密封[2-3]。若前閥座密封失效,介質(zhì)將進(jìn)入中腔,由于中腔與下游存在作用于后閥座的壓力差,流體的介質(zhì)壓力也可將后閥座推向球體,和調(diào)節(jié)圈處的彈簧彈力一起使后閥座壓緊球體并保持密封。

2 密封性能評價

選擇合適的密封比壓是保證閥門密封、壽命的關(guān)鍵。當(dāng)球閥在預(yù)緊力狀態(tài)下球體相對閥座轉(zhuǎn)動時,密封副之間由于切向應(yīng)力產(chǎn)生摩擦磨損。為了保證閥門的壽命并減小磨損,密封面的比壓必須盡量小,但得保證足夠密封。因此,閥門的密封必須滿足以下條件:

qb

(1)

式中:qb為必須比壓,MPa;q為實際比壓,MPa;[q]為密封面材料的許用比壓,MPa。球閥的必須密封比壓公式為:

(2)

式中:qb為必須密封比壓,MPa;P為介質(zhì)壓力,MPa;bm為密封面在垂直于流體流動方向上的投影寬度,mm。根據(jù)文中水下球閥的相關(guān)參數(shù),計算得:qb=39.16 MPa。

3 計算模型

球閥的主密封結(jié)構(gòu)由閥座和球體密封面組成,如圖2所示。球閥通過密封面的相互擠壓來阻斷介質(zhì)的流動通道,從而實現(xiàn)密封。為提高計算的精度和效率,對水下球閥的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,簡化原則如下:①閥體剛度極大,變形量可忽略不計,省略閥體;②球體上下由閥桿、閥蓋和閥座支撐,無流體作用力,省略閥桿;③為了保證網(wǎng)格質(zhì)量,省略對結(jié)果影響較小的倒角、螺紋孔等特征。

運用有限元分析軟件ANSYS Workbench的接觸分析模塊,按照以上簡化模型和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析計算,可以得到球閥中閥座與球體之間密封面的密封比壓結(jié)果。為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,劃分網(wǎng)格時,對閥座與球體接觸面網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,計算模型網(wǎng)格如圖3所示。

4 數(shù)值模擬計算及分析

閥座靜水壓試驗、高壓氣密性試驗按照API 6DSS的相關(guān)要求執(zhí)行。

4.1 物性參數(shù)及邊界條件

(1) 物性參數(shù)

球體材料為A182 F51+WC,閥座材料為A182 F55+WC,具體物性參數(shù)如表1所列。

表1 材料物性參數(shù)表

(2) 邊界條件設(shè)置

前、后閥座的有限元分析模型如圖4所示。試驗時參考實際閥門密封試驗時閥座、球體的受力狀況,在閥座和球體上施加pressure,大小為1.1倍的公稱壓力,球體施加fixed support約束,密封面設(shè)置為contact,接觸方式為fractional,fraction coefficient設(shè)置為0.1,前后閥座邊界設(shè)置如圖5所示。

圖4 前、后閥座有限元計算模型 圖5 前、后閥座邊界條件設(shè)置

4.2 計算分析

初始狀態(tài)閥門關(guān)閉,不進(jìn)行壓力試驗時,前、后閥座與球體之間的初始密封比壓計算結(jié)果如圖6、7所示,密封比壓約為1.5MPa。前、后閥座的開口度云圖如圖8、9所示,均為零,表明初始狀態(tài)下閥門密封可靠。

圖6 前閥座初始密封比壓 圖7 后閥座初始密封比壓

圖8 初始狀態(tài)前閥座開口度云圖 圖9 初始狀態(tài)后閥座開口度云圖

試驗工況時,在1.1倍額定工作壓力下,仿真分析得到前后閥座的等效應(yīng)力云圖如圖10、11所示,前、后閥座的等效應(yīng)力較大的區(qū)域位于閥座背面的密封圈處,最大值分別為為310 MPa、253 MPa,遠(yuǎn)小于材料的最小屈服強度,設(shè)計可靠。

圖10 46.2 MPa時前閥座等效應(yīng)力云圖 圖11 46.2 MPa時后閥座等效應(yīng)力云圖

前、后閥座密封比壓如圖12、13所示。由圖可知,前閥座、后閥座密封面的密封比壓主要分布在密封面外徑處,且越接近外徑其值越大。前閥座密封面的大部分區(qū)域密封比壓在53 MPa左右,而后閥座密封面在半徑最大區(qū)域的密封比壓達(dá)到50 MPa左右,其余大部分區(qū)域密封比壓為17.7 MPa左右,在圖13中線框處密封比壓分布不均。上文計算得到的閥座必須密封比壓為39.2 MPa。由此可以預(yù)測,前、后閥座的密封均可靠,且前閥座的密封性能優(yōu)于后閥座。

圖12 46.2 MPa時前閥座密封比壓 圖13 46.2 MPa時后閥座密封比壓

前、后閥座密封面的開口度云圖如圖14、15所示。前閥座密封面開口度為零,結(jié)合密封面的密封比壓分布可知,前閥座不存在密封面處的泄漏問題。后閥座在中部位置出現(xiàn)局部開口,但不存在貫穿現(xiàn)象,與后閥座密封面處的密封比壓分布一致,因此,后閥座不存在密封面處的泄漏問題。

圖14 46.2 MPa時前閥座開口度云圖 圖15 46.2 MPa后閥座時開口度云圖

5 水下球閥密封試驗

型式試驗是驗證水下球閥可靠性的重要途徑。根據(jù)水下球閥的使用環(huán)境,編制型式試驗大綱和具體的實施工藝,并嚴(yán)格按照大綱和工藝進(jìn)行試驗驗證。試驗裝置為1套超高壓液、氣測試系統(tǒng)。

試驗內(nèi)容則按照該閥門設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)API 6D規(guī)范內(nèi)規(guī)定的閥門密封試驗規(guī)范ISO 5208[4]的要求進(jìn)行。在殼體靜水壓零泄漏的基礎(chǔ)上,分別做閥座靜水壓試驗、閥座高壓氣密性試驗和閥座低壓氣密封試驗。按標(biāo)準(zhǔn)要求閥座的靜水壓試驗介質(zhì)為加防腐劑的清水,氣密性試驗介質(zhì)為氮氣。具體試驗內(nèi)容如下。

5.1 閥座靜水壓試驗

閥門處于關(guān)閉狀態(tài),兩端盲板密封,分別從上、下游端進(jìn)行階梯升壓至46.2 MPa,壓力穩(wěn)定后開始保壓,保壓時間為30 min,保壓過程中檢查閥腔處泄漏情況,并記錄。靜水壓試驗如圖16所示。

圖16 閥座靜水壓試驗示意圖

合格判據(jù):每個保壓過程中記錄的泄漏量不應(yīng)超過ISO 5208:2008的C級值(0.03×DNmm3/s)。

5.2 閥座高壓氣密性試驗

閥座高壓氣密性試驗按照API 6DSS B.4.3進(jìn)行,由于試驗壓力過高,試驗過程做了充分的防護(hù)措施,閥座高壓氣密性試驗如圖17所示。

圖17 閥座高壓氣密性試驗

閥門關(guān)閉,兩端盲板密封,完全浸沒于試驗水池中,分別從上、下游端階梯升壓至46.2 MPa,壓力穩(wěn)定后開始保壓,保壓時間30 min,保壓過程中通過檢漏儀測量閥腔處泄漏情況,并記錄下來。

合格判據(jù):每個保壓過程中記錄的泄漏量不應(yīng)超過ISO 5208:2008的D級值(30×D Nmm3/s)的兩倍。

5.3 閥座低壓氣密性試驗

閥座低壓氣密性試驗按照API 6DSS 11.6進(jìn)行,閥門處于關(guān)閉狀態(tài),兩端密封,試驗介質(zhì)為氮氣,閥門安全浸沒在試驗水池中,在上游端施加壓力0.5 MPa,壓力穩(wěn)定后開始保壓,保壓時間為30 min。保壓過程中,通過檢漏儀檢查中腔泄漏量并記錄。上游端試驗結(jié)束后在下游端施加壓力0.5 MPa,保壓30 min,并記錄泄漏情況和試驗結(jié)果。

合格判據(jù):每個保壓過程中記錄的泄漏量不應(yīng)超過ISO 5208:2008的C級值。水下球閥密封試驗結(jié)果如表2所列。

表2 水下球閥密封試驗結(jié)果

由表2可知,閥座的低壓氣密性試驗泄漏量滿足要求,表明閥座與球體的密封副質(zhì)量可靠。閥座的靜水壓試驗和閥座高壓氣密性試驗結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。另外,對比閥座靜水壓試驗和高壓氣密性試驗的試驗數(shù)據(jù)與前文仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù),它們之間存在著一定的差異,這是因為該水下的泄漏除了閥座密封面處外,在閥座的外部圓周部分的密封圈也可能存在泄漏。

6 結(jié) 語

將水下球閥球體與閥座密封性能的仿真分析結(jié)果與設(shè)計計算、試驗結(jié)果進(jìn)行對比,驗證了采用有限元方法預(yù)測水下球閥密封性能的可行性,可以為水下球閥的研制提供依據(jù)。

(1) 通過仿真分析得知,該水下球閥的閥座、球體密封面處的密封比壓均大于計算的密封比壓,設(shè)計滿足要求。

(2) 閥座、球體密封面的密封比壓分布特點為越接近密封面外徑處,密封比壓越大,越靠近密封面外緣,密封越可靠。

(3) 在殼體靜水壓試驗零泄漏的基礎(chǔ)上進(jìn)行的閥座靜水壓試驗、高壓氣密性試驗和低壓氣密性試驗,試驗結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4) 試驗結(jié)果與仿真分析之間存在差距,主要是因為閥座處的泄漏除了閥座、球體密封面處外,在閥座背部的密封圈也存在泄漏的風(fēng)險,試驗結(jié)果中的泄漏也可能是通過密封圈泄漏的。