超高壓球閥結構設計優(yōu)化

01

概述

球閥由于密封性能好、流阻系數小、結構緊湊、密封可靠、啟閉靈活、安全性能高、使用壽命長等優(yōu)點被應用于各種行業(yè)管道系統中，特別是安裝在陸上井口、海洋平臺井口裝備上的超高壓球閥，已成為開采工藝中的關鍵部件。該超高壓球閥用于開閉管路、控制流向、調節(jié)和控制輸送介質，具有快速切斷的優(yōu)異性能，是調節(jié)油氣流體流量、確保壓力穩(wěn)定的核心控制裝備，也是油、氣二次注氣壓采工藝中的關鍵裝置，被稱為氣田輸送的“咽喉”。本文將分別從超高壓球閥的球體支撐定位、閥座密封面、閥桿與球體連接、傳動鏈的參數要求、防介質沖刷、殼體強度及最小壁厚、體蓋密封等方面提出了結構設計優(yōu)化方案，以提升超高壓球閥的產品性能，使產品更加安全穩(wěn)定運行。

02

超高壓球閥的設計

以國內某氣田項目為例，超高壓球閥主要技術參數見表1。

表1  超高壓球閥技術參數

21  球體支撐結構

球體支撐結構應設計上下支撐板，其結構如圖1所示，在球體設有上下兩個對稱的支撐板，當閥座安裝在左右體閥座孔內，閥座與左右體兩零件中心重合；當支撐板與左右體相互配合安裝到位后，支撐板與左右體兩零件中心重合；當中體與左右體安裝到位后，中體與左右體兩零件中心重合，最終形成以左右體通道中心線為基準，閥座、支撐板、中體三中心重合的現象，確保球體的中心位置，進而使球與座之間的密封副高度吻合。閥在開啟和關閉過程中平穩(wěn)，扭矩較輕，大幅提高了其使用壽命。盡量避免采用上下軸支撐結構，這是由于上下軸會形成懸臂梁結構，在超高壓載荷下，上下支撐軸均存在一定的彈性形變，啟閉時承受彎矩、扭矩共同作用，導致球體偏移，開啟扭矩重，甚至功能失效。

圖1  球體支撐結構

2.2  閥座密封面結構

閥座密封面結構應設計為彈性槽結構，如圖2所示。傳統高壓球閥閥座密封面為寬斜面或球面，在高壓作用下會出現外翻、翹曲形變，導致密封面涂層受力不均，嚴重時會出現開裂現象；而彈性槽結構可讓密封面的微量形變轉為基材微量彎曲形變，使得整個密封區(qū)域變形同步，避免了因翹曲變形不同步而引起的密封面開裂，確保密封可靠性。分別設計出傳統閥座和彈性槽閥座進行有限元分析，兩種結構閥座的幾何尺寸除了密封面局部位置不同，其余保持一致；選取相同的材料，介質壓力取10000 Psi（69 MPa），模擬結果如圖3所示，比較兩種結構受到的應力載荷，得出彈性槽閥座結構的應力載荷遠小于傳統閥座結構。

圖2  閥座彈性槽結構

(a)優(yōu)化前閥座結構

(b)優(yōu)化后閥座彈性槽結構

圖3  閥座密封面結構

2.3  傳動配合結構及材料要求

閥桿與球體連接應采用漸開線型花鍵、四方頭或六方頭緊密配合結構，分別如圖4和圖5所示，以上三種結構的接觸面積顯著增大，且多面接觸也分散了應力集中；漸開線型花鍵和方頭配合結構顯著提升了扭矩承載和抗沖擊性能，四方頭結構適合應用在小口徑超高壓閥門中，六方頭和漸開線型花鍵結構適合用在中、大口徑超高壓閥門中。此外，應避免采用扁方結構，由于扁方結構易使桿與球體配合間隙過大，無法消除，尤其是在ESD超高壓閥中，關閉末期局部接觸面受到*的瞬間沖擊，由于間隙過大而導致閥桿偏轉，大幅降低了該結構的穩(wěn)定性‌；同時閥桿的材料選用高強度的ASTM B637 NO7718，鍵選用17-4PH，參數要求如表2所示。

圖4  花鍵結構

(a)四方結構  

(b)六方結構

圖5  方頭結構

表2  材料參數

2.4  防介質沖刷結構

防介質沖刷結構如圖6所示，球閥在開啟初期、關閉末期，球體與閥座密封副之間因形成了狹窄空隙通道而產生了超高速流體。當介質中含有固體顆粒物時，固體顆粒物與超高速氣流將形成氣固兩相混合介質，而氣固混合介質中的固體顆粒在高速流動中具有較大動能，頻繁撞擊球口和閥座內孔，引發(fā)微切削磨損，長期作用下易導致球口磨損或劃痕，甚至擊穿閥座‌。因此，需對球體的球口部位和閥座的內孔做硬化處理，必要時球口還需設計為防沖刷結構，以應對在閥門0~10%開度時介質帶來的沖擊與沖刷。

(a)顆粒撞擊示意圖  

(b)硬化部位示意圖

圖6  防介質沖刷結構

2.5  殼體強度及最小壁厚計算

殼體最小壁厚及強度設計需與API 6D高壓球閥進行區(qū)分，API 6D球閥最小壁厚依據ASME B16.34 表3A，但壓力不包括10000 Psi（69 MPa），因此除了采用ASME BPVC.Ⅷ.2-2023承受內壓的圓筒體最小壁厚公式外，由于殼體壁厚受到軸向開孔和垂直方向開孔，整體強度被削弱，且外加端部應力和扭矩載荷，還應參照《API 6X Design Calculations for Pressure-containing Equipment》進行閥體強度當量應力校核（圖7）。殼體最小壁厚和當量應力的計算公式如下：

圖7  應力分量圖

（1）

式中  t——殼體最小壁厚，mm

D——殼體內徑，mm

P——設計壓力，MPa

S——設計溫度下的許用應力，MPa

E——系數

（2）

式中  Se——當量應力，MPa

σx、σy、σz——直接應力分量，MPa

τxy、τyz、τzx——剪切應力分量，MPa

2.6 體蓋密封結構

體蓋密封結構應為壓力自密封結構，該結構設有2道密封，即初級密封+次級密封結構。兩道密封均為壓力自密封結構，屬于靜態(tài)密封，初級密封副材料為兩種不同硬度值的高分子密封材料，而次級密封副材料為兩種不同硬度的金屬材料，這是由于采用不同硬度材料進行密封可以形成機械咬合密封形式，能夠較好的解決高壓氣體介質作用下的泄露問題。應盡量避免采用氟橡膠O型圈或金屬纏繞墊圈，這是由于氟橡膠O型圈在長期高壓環(huán)境下會因材料應力松弛而導致彈性逐漸喪失，且超高壓更加劇了這種不可逆變形，同時氟橡膠O型圈易擠入密封間隙，造成邊緣咬傷或結構撕裂現象；金屬纏繞墊中的石墨密封帶具有一定孔隙率，在高壓氣體載荷下密封可靠性存在一定風險。

 1.中體  2.左右體  3.壓力自密封金屬墊圈  4.壓力自密封圈  5.內鑲密封圈  6.外鑲密封圈  7.楔型支撐圈  8.彈簧

(a)                            (b)

(a)體蓋之間密封結構  (b)初級密封件

圖8  體蓋密封結構

2.7  快速檢漏結構及預警裝置

快速檢漏結構及預警裝置設計如圖9所示，通過在檢漏口安裝壓力傳感器，實現在線監(jiān)測功能，以提高閥門的安全性。API 6A PSL 3G 10000 Psi高氣壓產品測試存在較高的危險性，且氣壓的增壓過程較為緩慢，為了保證氣壓測試的安全性并提高生產效率，在體蓋密封的壓力自密封金屬墊圈與壓力密封圈之間設置檢漏口。閥門裝配完成后，由于無法判斷壓力自密封圈和壓力自密封金屬墊圈密封的完好性，在密封之間設置檢漏口便可分別對壓力自密封圈與壓力自密封金屬墊圈密封性能進行驗證。從檢漏口充入高壓氣體，通過壓力變化及有無氣泡出現快速判定殼體密封是否完好，如此既能快速判定是否有泄漏，還能節(jié)省閥門裝配、試壓的調整時間，提高工作效率，并降低測試過程中的危險性。當閥門在線運行時，在快速檢漏口處安裝壓力傳感器，當閥門產生泄漏時，可以立即報警，進而提高了生產安全性。

1.閥體  2.閥蓋  3.壓力自密封金屬墊圈  4.壓力自密封圈  5.壓力傳感器

圖9  快速檢漏結構及預警裝置

03

結語

針對超高壓球閥，本文從球體支撐定位結構的選用、閥座密封面結構受力分析、閥桿與球體連接結構對比、傳動鏈的參數要求、防介質沖刷工藝的作用、殼體強度及最小壁厚推薦計算公式、體蓋密封結構設計等方面進行詳細分析，并已按優(yōu)化后的結構批量生產，產品性能按API 6A 標準PSL 3G等級要求進行驗收，主要技術參數和性能指標均達到國際同類產品的先進水平，且優(yōu)化后的產品已批量應用于國內某千億方大氣氣田項目中，打破了國外超高壓球閥長期壟斷的狀況，替代進口，對國產化進程具有重大意義。在未來的研究中，將采用ANSYS進行減振降噪技術優(yōu)化，研究閥門在不同開度下的流固耦合振動模態(tài)形式、頻率和總振級，進行振動特性定量評價；針對超聲速非定常流邊界條件及邊界層擬序結構進行超聲速流體流動聲傳播及聲輻射計算，揭示超聲速混合波形對振動噪聲的影響機理，并研究出基于主動抑制和被動抑制的超高壓球閥減振降噪的設計方法。