海水靜壓力變化對(duì)水下球閥密封性能影響

吳望譜，周思柱，李美求，周　民

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)研究所，湖北 荊州 434023；2.蘇州道森鉆采設(shè)備股份有限公司，江蘇 蘇州 215138)①

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海水靜壓力變化對(duì)水下球閥密封性能影響

吳望譜1，周思柱1，李美求1，周民2

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)研究所，湖北 荊州 434023；2.蘇州道森鉆采設(shè)備股份有限公司，江蘇 蘇州 215138)①

摘要：隨著水下油氣作業(yè)區(qū)域逐漸從淺海區(qū)轉(zhuǎn)向深海區(qū)，水下球閥所受到的海水靜壓力也逐漸增大，對(duì)其密封可靠性有了更高的要求。采用Ansys WorkBench有限元軟件，分析了海水靜壓力變化對(duì)球閥中前閥座與球體之間密封面的影響，結(jié)果表明：密封面上的密封性隨海水靜壓力的增大而更加可靠；在不同海水靜壓力下，密封面中環(huán)上環(huán)向角度在180°處密封性最好，密封面外環(huán)上環(huán)向角度在0°或360°處密封性最差；不同海水靜壓力下，密封面環(huán)向上變形均呈現(xiàn)內(nèi)環(huán)最大、中環(huán)次之、外環(huán)最小的分布特點(diǎn)，且當(dāng)環(huán)向角度從0°～360°時(shí)，呈現(xiàn)由小到大，再由大到小，最后又增大的變化過(guò)程。

關(guān)鍵詞：球閥；靜壓力；水下；密封性能

1球閥密封工作機(jī)理

水下球閥的球面密封結(jié)構(gòu)為固定球體、浮動(dòng)閥座式密封，球體與閥座之間采用金屬密封[3]，如圖1所示。

1—閥桿；2—壓蓋；3—隔環(huán)；4—閥蓋；5—調(diào)節(jié)圈；

閥座處的密封面為雙活塞效應(yīng)式，球體前、后都安裝閥座，且前、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)圈后安裝彈簧提供初始預(yù)緊力，使閥座壓緊球體[4]。

球閥關(guān)閉，前閥座受到流體介質(zhì)壓力和調(diào)節(jié)圈處彈簧的彈力被推向球體，在前閥座與球體的接觸面上形成一定的密封比壓。該比壓使前閥座表面發(fā)生彈塑性變形，填塞接觸面上微觀不平處及補(bǔ)償球體的加工誤差以防止流體介質(zhì)的滲漏，保證密封[5-6]。

前閥座密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　前閥座密封結(jié)構(gòu)

閥門(mén)關(guān)閉后，前閥座受力為

(1)

(2)

式中：F1為前閥座受壓面積上所受介質(zhì)力；F2為前閥座反向受壓面積上所受介質(zhì)力；p為球閥內(nèi)腔介質(zhì)壓力；d1為前閥座的外徑；d2為前閥座密封面的內(nèi)徑；D1為前閥座的內(nèi)徑。

因d1>d2，所以F1>F2

(3)

由式(3)可知，流體介質(zhì)壓力可將前閥座推向球體，和調(diào)節(jié)圈處彈簧的彈力一起使前閥座壓緊球體并保持密封。

若前閥座的密封結(jié)構(gòu)失效，流體介質(zhì)進(jìn)入球閥中腔，后閥座受流體介質(zhì)壓力和彈簧的彈力被推向球體，也可保持密封[4]。

后閥座密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　后閥座密封結(jié)構(gòu)

當(dāng)前閥座的密封結(jié)構(gòu)失效后，流體進(jìn)入中腔，后閥座受力為

(4)

(5)

式中：F3為后閥座受壓面積上所受介質(zhì)力；F4為后閥座反向受壓面積上所受介質(zhì)力；D2為后閥座彈簧處外徑；d5為后閥座的外徑；dm為后閥座密封面的平均直徑，d3為后閥座密封面的外徑，d4為后閥座密封面的內(nèi)徑。

因dm>d5，所以F4>F3

(6)

由式(6)可知，當(dāng)前閥座的密封結(jié)構(gòu)失效后，流體介質(zhì)壓力也可將后閥座推向球體，和調(diào)節(jié)圈處彈簧的彈力一起使后閥座壓緊球體并保持密封。

由此可見(jiàn)，前閥座密封結(jié)構(gòu)起第1道密封作用，其密封可靠性關(guān)系到球閥能否良好防止流體介質(zhì)的滲漏。尤其是在海水靜壓力逐漸增大的情況下，對(duì)前閥座密封可靠性就有了更高的要求。

2密封面數(shù)值模擬

為了提高計(jì)算速度及收斂精度，對(duì)水下球閥進(jìn)行簡(jiǎn)化，將對(duì)前閥座密封分析影響不大的零件(如閥桿、壓蓋、隔環(huán)及調(diào)節(jié)圈)及倒圓角、螺紋孔等特征省略。水下球閥簡(jiǎn)化后各零件材料性能參數(shù)如表1所示。閥體、球體及閥蓋材料為A694 F60，閥座材料為UNS N07718。

表1　材料性能參數(shù)

2.1有限元模型

由于球閥各零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文采用高階3維10節(jié)點(diǎn)solid187單元?jiǎng)澐制洳灰?guī)則的結(jié)構(gòu)。在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)前閥座與球體之間的接觸面及其周?chē)鷧^(qū)域的網(wǎng)格劃分較為細(xì)密，對(duì)其他區(qū)域的網(wǎng)格劃分較為稀疏，如圖4所示。

圖4　球閥有限元模型

2.2接觸對(duì)設(shè)置

前閥座與球體之間的接觸類(lèi)型設(shè)置為No Separation；前閥座上密封面設(shè)置為目標(biāo)面，其目標(biāo)單元為targe170；球體上密封面設(shè)置為接觸面，其接觸單元為conta174。

對(duì)于前閥座與球體之間的接觸，可采用Pure Penalty公式進(jìn)行接觸計(jì)算，該公式是基于罰函數(shù)方程。

Fn=kn·xp

(7)

式中：Fn為法向接觸力；kn為法向接觸剛度；xp為穿透率。

法向接觸剛度決定著穿透率的大小。法向接觸剛度越大，穿透率越小及求解精度越高，但法向接觸剛度過(guò)大，會(huì)使收斂困難，甚至?xí)?dǎo)致模型振動(dòng)及接觸面彈開(kāi)。因此，法向接觸剛度是影響求解精度和收斂最重要的參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，所取的法向接觸剛度在保證穿透率小的可以接受的同時(shí)，也應(yīng)該要保證求解收斂性[7]。但是在分析計(jì)算時(shí)，像這樣一個(gè)合適的法向接觸剛度是不容易確定的，不同的結(jié)構(gòu)、不同的網(wǎng)格密度或不同的邊界條件都會(huì)有不同的合適的法向接觸剛度[8]。本文進(jìn)行了一系列的計(jì)算確定合適的法向接觸剛度。

計(jì)算時(shí)，選取0.1～5.0的法向接觸剛度進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)的穿透率并對(duì)其進(jìn)行比較，如圖5所示。

隨著法向接觸剛度的逐漸增大，穿透率在不斷的減小；曲線的拐點(diǎn)出現(xiàn)在法向接觸剛度為1時(shí)的點(diǎn)；當(dāng)法向接觸剛度在0.1～1.0時(shí)，穿透率下降趨勢(shì)明顯；當(dāng)法向接觸剛度在1.0～5.0時(shí)，曲線趨近水平，穿透率變化差別極小。隨著法向接觸剛度超過(guò)1.0后，穿透率變化幾乎不變，而收斂行為會(huì)隨之變得困難，本文取法向接觸剛度值為1.0。

圖5　法向接觸剛度與穿透率的關(guān)系

2.3邊界條件與載荷設(shè)置

根據(jù)實(shí)際工況，將前閥座上與調(diào)節(jié)圈所裝配的螺紋面的y和z方向固定并只允許前閥座沿x方向移動(dòng)；球閥兩端與其它管匯以法蘭盤(pán)形式進(jìn)行連接，則固定球閥兩側(cè)法蘭盤(pán)端面的x、y和z方向，防止球閥發(fā)生剛體位移。

球閥關(guān)閉后，前閥座會(huì)受到25 MPa流體介質(zhì)壓力和調(diào)節(jié)圈處彈簧的3 MPa彈力，分別對(duì)前閥座相應(yīng)的受力面進(jìn)行加載；隨著海水深度不斷增加，球閥所受海水靜壓力的作用也逐漸變大。

2.4有限元結(jié)果分析

根據(jù)球閥的邊界條件和受載形式，分別模擬計(jì)算0、3、6、18 MPa等4種不同海水靜壓力對(duì)前閥座與球體之間密封面密封比壓和變形的影響。

2.4.1密封面密封比壓

從各不同海水靜壓力下密封面的密封比壓結(jié)果中，分別沿密封比壓最小值處徑向方向上，依次等距提取密封面內(nèi)徑處到外徑處之間8個(gè)節(jié)點(diǎn)的密封比壓值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后結(jié)果如圖6所示。

圖6　密封比壓最小值處徑向比壓分布

隨著海水靜壓力的增大，沿密封比壓最小值處徑向的比壓總體趨勢(shì)也逐漸增大，且均呈中間大而兩頭小的分布規(guī)律；當(dāng)海水靜壓力為0時(shí)，在沿密封比壓最小處徑向的區(qū)域上，有87.5%區(qū)域面積上的密封比壓大于必須密封比壓(40.23 MPa)，可實(shí)現(xiàn)密封。所以，當(dāng)海水靜壓力為3、6、18 MPa時(shí)，前閥座與球體之間的密封面均可實(shí)現(xiàn)密封，且其密封性隨海水靜壓力的增加，愈加可靠。

再?gòu)母鞑煌Ｋo壓力下密封面密封比壓結(jié)果中，分別沿密封面內(nèi)環(huán)、中環(huán)及外環(huán)的順時(shí)針?lè)较颍来翁崛?、45、90、135、180、225、270、315、360°等節(jié)點(diǎn)的密封比壓值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后結(jié)果如圖7所示。

從圖7可知，當(dāng)海水靜壓力為0、3、6、18 MPa時(shí)，密封面上密封比壓均呈現(xiàn)中環(huán)最大、內(nèi)環(huán)較小、外環(huán)最小的分布特點(diǎn)；當(dāng)海水靜壓力為0時(shí)，密封面中環(huán)、內(nèi)環(huán)及外環(huán)上密封比壓分布較為均勻，無(wú)明顯波動(dòng)；當(dāng)海水靜壓力為3、6、18 MPa時(shí)，密封面環(huán)向上密封比壓分布隨著海水靜壓力的增大，其波動(dòng)也愈加明顯，且當(dāng)環(huán)向角度從0～180°時(shí)，密封面環(huán)向上的密封比壓有逐漸增大趨勢(shì)，當(dāng)環(huán)向角度從180～360°時(shí)，密封比壓有逐漸減小的趨勢(shì)。不同海水靜壓力下，密封面環(huán)向上中環(huán)處的密封性能均是最好的，且隨海水靜壓力的增大，環(huán)向角度為180°處的密封性相比其他環(huán)向角度處的密封性更加可靠。

a　0 MPa

b　3 MPa

c　6 MPa

d　18 MPa

在不同海水靜壓力下，密封面中環(huán)上環(huán)向角度為180°處的密封比壓都是最大的，低于許用密封比壓300 MPa，此處的密封性是密封面上最好的，且該處不會(huì)因密封比壓過(guò)大而導(dǎo)致密封破壞；在不同海水靜壓力下，密封面外環(huán)上環(huán)向角度為0°或360°處的密封比壓最小，此處的密封性是密封面上最差的。

2.4.2密封面變形

同理，分別沿密封面內(nèi)環(huán)、中環(huán)及外環(huán)的順時(shí)針?lè)较颍来翁崛?、45、90、135、180、225、270、315、360°等節(jié)點(diǎn)的變形量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后結(jié)果如圖8所示。

a　0 MPa

b　3 MPa

c　6 MPa

d　18 MPa

從圖8可見(jiàn)，不同海水靜壓力下，密封面變形分布趨勢(shì)幾乎一致，密封面上變形均呈現(xiàn)內(nèi)環(huán)最大、中環(huán)次之、外環(huán)最小的分布特點(diǎn)，且當(dāng)環(huán)向角度從0～360°時(shí)，其均呈現(xiàn)出由小到大，再由大到小，最后又增大的變化過(guò)程。

3結(jié)論

1)根據(jù)不同海水靜壓力，對(duì)前閥座與球體之間的密封面進(jìn)行分析計(jì)算可知：在不同海水靜壓力下，密封面均可實(shí)現(xiàn)密封，且隨著海水靜壓力的增大，密封性能更加可靠。

2)通過(guò)對(duì)不同海水靜壓力下的密封面環(huán)向密封比壓分布規(guī)律的比較發(fā)現(xiàn)：密封面中環(huán)上環(huán)向角度為180°處的密封比壓都是最大的，均低于許用密封比壓300 MPa，可見(jiàn)此處的密封性是密封面上最好的，且該處不會(huì)因密封比壓過(guò)大而導(dǎo)致密封破壞；在不同海水靜壓力下，密封面外環(huán)上環(huán)向角度為0°或360°處的密封比壓最小，此處的密封性是密封面上最差的。

3)通過(guò)對(duì)不同海水靜壓力下密封面變形分布趨勢(shì)的比較，不同海水靜壓力下，密封面上變形均呈現(xiàn)內(nèi)環(huán)最大、中環(huán)次之、外環(huán)最小的分布特點(diǎn)，且當(dāng)環(huán)向角度從0～360°時(shí)，其均呈現(xiàn)出由小到大，再由大到小，最后又增大的變化過(guò)程。

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Influence of the Variation of Static Pressure of Seawater on the Seal Face of Subsea Ball Valve

WU Wangpu1，ZHOU Sizhu1，LI Meiqiu1，ZHOU Min2

(1.InstituteforStrengthandVibrationofMechanicalStructures，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China；2.SuzhouDousouDrilling&ProductionEquipmentCo.，Ltd.，Suzhou215138，China)

Abstract：As the operation areas of subsea oil and gas are being approached from 300m in shallow water to deep water，the static pressure of seawater on the subsea ball valve is also gradually increases，so the seal face of subsea ball valve must to be more reliable.Based on the finite element analysis software Ansys WorkBench，the influence of the variation of static pressure of seawater on the seal face between front valve seat and globe was researched.The research result shows that with the increase of static pressure of seawater，the leakproofness of the seal face is more and more reliable；under the effect of different seawater static pressure，the leakproofness of seal faces with 180°circumferential angel in the circumferential direction of middle ring is always the best，the leakproofness of seal faces with 0°(360°)circumferential angel in the circumferential direction of middle ring is always the worst；under different seawater static pressure，the deformation of seal faces in the circumferential direction show tinner ring the biggest，middle ring smaller，the outer the smallest，and when the circumferential angle turns from 0°to 360°，it will change from small to big and then big to small，and finally become big again.

Keywords：ball valve；static pressure；subsea；seal face隨著海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)不斷發(fā)展，油氣開(kāi)采已從300 m以?xún)?nèi)的淺海區(qū)逐漸轉(zhuǎn)向深海區(qū)([1])。作為油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的組成部件，水下球閥具有低阻力、高可靠性及啟閉快等優(yōu)點(diǎn)，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到水下油氣田的作業(yè)及生產(chǎn)系統(tǒng)的安全([2])。球閥在水下作業(yè)中，不僅承受著內(nèi)部介質(zhì)壓力，還受到外部海水靜壓力的作用，為了防止內(nèi)部介質(zhì)滲漏或海水進(jìn)入球閥，球閥閥座與球體之間的接觸面起到了重要的密封作用。隨著水下油氣作業(yè)的深度不斷增加，球閥所受到的海水靜壓力也逐漸增大，對(duì)球閥的密封可靠性提出了更高的要求。本文就不同水深下的海水靜壓力對(duì)閥座與球體之間密封面的密封比壓和變形進(jìn)行分析。

中圖分類(lèi)號(hào)：TE952

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.003

作者簡(jiǎn)介：吳望譜(1990-)，男，湖北潛江人，碩士研究生，主要從事石油機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)特性測(cè)試研究，E-mail：530914178@qq.com。

收稿日期：①2015-09-07 湖北省自然科學(xué)基金(2015CFC859)

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0011-05