API鑄鋼浮動球閥的結構改進

2013-12-31 00:00:00李鐵東

中國機械 2013年24期

摘要：介紹了API鑄鋼浮動球閥的密封和耐火結構改進設計；改進后降低了閥門操作力矩，提高了鑄鋼浮動球閥的密封能力和耐火能力。

關鍵詞：密封；耐火；結構改進。

1.概述

近些年來，在國內外石油、石化、天然氣等工業領域，鑄鋼浮動球閥的應用得到快速的發展；現今大多數企業使用的球閥技術標準直接采用了國外先進設計標準，如API 6D管線閥門、API 608法蘭和對焊端金屬球閥、API 6A井口裝置和采油樹設計規范及API 607 轉1/4周閥門和非金屬閥座閥門的耐火試驗等。石油、石化苛刻的工況和企業嚴格的技術規范對球閥的質量要求越來越高，對球閥的閥座密封性能、閥桿的密封性能、閥門啟閉扭矩大小、閥門防火設計等主要技術指標越來越嚴格。而我國現有工業設備和石油管線上的鑄鋼浮動球閥結構較落后，較難滿足上述性能。尤其傳統結構閥座密封力較大，防火設計達不到API 607 的耐火試驗要求，閥門啟閉扭矩大等缺點。

經過多次深入用戶使用現場，了解用戶的使用情況，對傳統鑄鋼浮動球閥結構進行改進，根據API 6D管線閥門標準優化了鑄鋼浮動球閥的傳統結構，改進了閥座和閥桿處密封性能，閥門啟閉扭矩相對于傳統結構鑄鋼浮動球閥，扭矩降低了30～40%。

2.結構改進分折

2.1.閥座密封結構改進

這兩種密封面較寬的閥座密封面結構，無論是在工作壓力還是最大的設計壓力作用下，都會使閥門的啟閉扭矩較大；在高壓情況下，當閥座材料采用尼龍時，由于尼龍吸水率大會造成閥座膨脹，容易使閥座把球體抱死，增大了閥座預緊力，進而加大了閥門啟閉扭矩，容易使閥桿變形，甚至扭斷，最終使閥門啟閉失常。

為了改善閥座的受力情況，現把閥座密封面改為雙重斜面結構，它根據實際工況和閥座的設計預緊要求，充分利用聚四氟乙稀的冷流和彈性；在整機裝配后，只要很小的預緊力就能實現低壓氣密封；而隨著介質壓力逐漸增加，閥座密封面逐漸加寬，同時閥座的密封力隨著介質工作壓力變化而改變。如圖2所示，在實際工況中，介質的工作壓力往往比設計壓力要小，這時候所產生的密封力一般如式

2.2.閥座耐火結構改進

傳統結構浮動球閥無法通過API 607耐火試驗的主要原因是：⑴ 球體沒有得到支撐，因自重下垂。⑵ 閥座硬面防火凸臺很薄，如果加厚防火凸臺，閥座內徑要加大，球體也要加大，閥門外形同時也加大，成本增加，所以防火凸臺尺寸不能太大，一般只有1～3mm寬，在燃燒期間，防火凸臺已軟化變形，和球面接觸部分不能達到密封要求，球體失去閥座支撐后球體下垂，閥座防火凸臺上沿與球體之間已出現很大的流通面積，介質壓力已經泄掉，僅為0.2 MPa的介質壓力無法推動球體與閥座防火凸臺形成密封副，無法實現密封比壓，導致耐火試驗失敗，見圖3。

改進后的閥座耐火結構見圖4，（1）為防止球體下垂在閥體內設一條環形支撐帶；（2）在球體下端增加小鋼球和圓柱彈簧，彈簧能防靜電，又能起到支撐球體的作用；（3）將閥座防火凸臺改為R形圓角堅固可靠，燃燒后不變形。

改進后的優點：（1）燃燒后球體失去閥座支撐，由環帶支撐球體防止下垂，依靠介質壓力把球推向R形圓角閥座密封面實現密封。（2）降低生產成本和工藝成本，因采用R形圓角閥座的內徑縮小球體縮小，閥體外形也隨著減小，使閥門結構緊湊重量減小，從而降低生產成本；工藝成本的降低是因為采用了R形圓角結構，與凸起的老結構相比機加工和檢測方便，加工精度容易得到保證，從而降低成本。

2.3.閥桿密封結構改進

閥桿密封是一項重要指標，往往由于填料磨損，預緊比壓不夠等造成閥桿部位泄漏。通常填料材料使用聚四氟乙烯或石墨，聚四氟乙烯不耐火，也就無法達到API 607的要求，作為不易燃介質及沒有耐火要求的閥門是可行的。石墨耐火，但一重石墨密封啟閉容易泄漏。改進后的閥桿密封增設一道O形圈密封，使閥桿具有雙重密封功能，在正常使用狀態下，O形圈密封。當O形圈被燒毀時，石墨起到防火作用，又能達到API 607的耐火要求。

3.改進后的檢測結果

3.1.閥座密封測試

檢驗標準 API 6D，低壓0.6 MPa氣體，測試100%零泄漏。

3.2.扭矩測試

3.2.1.腔體帶壓下，通孔一端帶壓，一端通向大氣，由關閉到開啟；

3.2.2.同a條一樣，另一端帶壓，重復；

4.結論：

綜上所述，通過改進、生產、試驗，改進后閥門的各項指示均達到API門6D管線閥門標準的要求，雖然改進產品結構是改善性能的必要條件，可是一個產品無論有多先進、結構合理并不代表產品的最終質量。因為每一個新的產品在每一個使用工況都要通過試運行，它的成功背后都經歷過長期的使用過程。

參考文獻：

[1]陸陪文主編實用閥門設計手冊第3版。北京，機械工業出版社。2012年7月。

[2]章華友等著球閥設計與選用。北京科學技術出版社。1994年。

[3]美國石油學會 API 6D-2008 第23版管線閥門。2008年10月。