水壓機梭閥的設計原理和現場應用

丁 超，曾淑斌

(寶雞鋼管西安石油專用管公司，西安710201)

水壓機梭閥的設計原理和現場應用

丁 超，曾淑斌

(寶雞鋼管西安石油專用管公司，西安710201)

為了提高鋼管水壓機梭閥的加工質量，降低梭閥的使用成本，對梭閥的設計原理和加工工藝進行了研究，包括梭閥的外形、材質、熱處理工藝、公差配合、尺寸精度、密封等方面的設計要點，并對梭閥使用過程中出現的問題進行了分析，明確了梭閥加工過程中的質量控制要點。研究結果可用于指導梭閥加工質量的驗收和現場使用問題的及時處理，減少生產中的異常消耗，促進備件的國產化，降低生產成本，提高設備維護管理水平。

鋼管；水壓試驗機；梭閥；密封；加工工藝

管加工生產線水壓機是對鋼管進行靜水壓試驗的裝置，利用水壓機將鋼管充滿高壓水并穩定在壓力設定值[1]，全壓試驗狀態保持時間應不得少于5s[2]。目的是檢查鋼管的缺陷和鋼管的強度，檢驗接箍和管體連接密封性，以使鋼管滿足輸送石油和天然氣等場合的要求，是保證鋼管出廠質量的重要手段[3]。寶雞鋼管西安石油專用管公司水壓機從美國Bronx公司引進，最高水壓壓力為140MPa，梭閥在水壓機靜水壓試驗中起著預密封水和高壓水的轉換作用。筆者將從水壓機的工藝過程、梭閥的設計原理以及使用性能的影響因素進行研究，提高梭閥的加工質量，降低梭閥的使用成本，提高設備維護管理水平，進一步保障生產。

1 水壓機工作過程

鋼管進入試壓中心時，注水端和小車端分別從兩端套入管頭，接箍抱卡、管體抱卡關閉；預密封增壓的乳化液通過梭閥進入大間隙密封圈預壓緊鋼管，預密封的壓力最高為15MPa，設定為10MPa，沖水閥、排氣閥打開，乳化液進入鋼管內腔，經過設定的時間，排氣閥、沖水閥先后關閉[4]。

增壓器開始工作，鋼管進入增壓階段，當高壓水壓力高于預密封壓力，水壓試驗的最高壓力為140MPa，梭閥轉換使得高壓水作用在大間隙密封上，與鋼管內試驗壓力一致，高壓密封住鋼管。當水壓壓力達到設定值時，鋼管進入穩壓階段。鋼管靜水壓試驗完成后，排氣閥打開進行卸荷，注水端、小車端分別后退到位，抱閘打開，水壓試驗結束。鋼管進行靜水壓試驗前，蘑菇頭氣閥動作，推動閥芯運動至最底端，保證閥芯與下閥座密封配合。梭閥的安裝位置如圖1所示。

圖1 梭閥安裝位置示意圖

由于上閥體上、下兩道密封的作用，預密封水不會竄入其他部位，從上閥體的小孔進入，通過下部閥體的上孔作用在大間隙密封上。閥芯與下部閥體的機械密封、上閥體的下密封以及下部閥體的密封共同作用保證預密封水不會軸向泄漏。

增壓器開始工作，高壓水從底孔進入，推動閥芯運動至頂部，閥芯與上部閥體的機械密封以及上部閥芯下密封共同作用，保證高壓水路不會進入預密封水路中，從而實現了高壓水路和預密封水路工作的互不干擾，高壓水經過下部閥體的下孔作用在大間隙密封上，實現高壓密封。

高壓水的壓力不斷增加，達到設定值后進入保壓階段，達到設定時間后開始泄壓。泄壓時，由于高壓水路和大間隙密封、鋼管內部水路聯通，卸荷閥泄壓，作用在梭閥上的壓力下降，完成整個動作。

2 梭閥的設計

2.1 外形設計

上閥體和下閥體的連接通過螺紋連接，密封主要靠螺紋加端面密封，保證梭閥不在接口處泄漏。梭閥的整體外形如圖2所示。

圖2 梭閥整體結構示意圖

2.1.1 上閥體

上閥體設計上、下兩道密封，保證預密封水路的水不會軸向泄漏。兩道密封槽中間設計4個圓孔，使預密封水能夠通過。上閥體和閥芯的密封配合靠兩個45°的密封面配合，配合為機械密封。上閥體上端設計密封槽用來安裝密封圈，密封蘑菇頭氣閥的長桿，防止預密封水的泄漏。

為防止梭閥出現銹死、不易取出等問題，在上閥體的上端設計螺紋孔，在拆卸的時候，可以使螺栓上緊，借助工具作用螺栓取出梭閥。上閥體頂部設計一道溝槽，方便借助三爪等專用工具取出梭閥。上閥體結構如圖3所示。

圖3 上閥體結構示意圖

2.1.2 下閥體

下閥體設計一道密封，和上閥體的第二道密封共同作用，保證高壓水作用時或者預密封水作用時，打壓液不會軸向泄漏。下閥體中間上下各設計4個開孔，上孔保證預密封的水可以順利進入大間隙密封中，下孔保證高壓水可以順利進入大間隙密封中，不用考慮閥芯位置對其產生影響。下閥體的底部開通孔，保證高壓水可以順利進入梭閥。由于閥芯要在下閥體中來回運動，因此下閥體中要開導向孔。

下閥體和閥芯的密封配合主要靠兩個45°的密封面配合，配合為機械密封。下閥體結構如圖4所示。

圖4 下閥體結構示意圖

2.1.3 閥芯

閥芯的作用是和閥座配合進行密封。密封主要靠兩個45°的密封面與上下閥座配合。閥芯在工作時要來回運動，閥芯外圓上均勻銑出5mm寬的平面，連接10°的過渡弧。這樣既減輕了閥芯在運動時的阻力，也起到了良好的導向作用。

閥芯和下閥體密封面相配合的面需要開M6×10的螺紋內孔。這樣設計方便與閥芯和下閥體在加工時的研磨，使得配合精度達到使用要求。閥芯結構如圖5所示。

2.2 材質的選擇和熱處理工藝

由于企業所在地的水質較硬，水質硬度過高會導致打壓液的防銹能力下降[5]，因此梭閥材質的選擇要有一定的抗腐蝕性，從梭閥的使用強度、抗疲勞、使用壽命等要求，確定材質為4Cr13。

圖5 閥芯結構示意圖

2.2.1 強度校核

梭閥的受力主要為靜壓力，作用在上閥體、下閥體、閥芯的最高靜壓力為140MPa，4Cr13的屈服強度為355MPa。

對Sσ1進行校核，S為安全系數，取值1.6；σ1為作用梭閥的最大應力，因1MPa=103.323 N/cm2，所以 σ1=14.5kN/cm2，Sσ1=1.6 σ1＜355MPa，因此閥體材質的強度選擇符合要求。

2.2.2 疲勞強度的校核

水壓機梭閥動作2 100次/天，在較高的接觸應力的反復作用下，會在接觸表面的局部區域產生小塊或小片金屬剝落，形成麻點和凹坑，使密封性能下降，導致零件失效。

對接觸疲勞強度進行校核，依據公式式中：σrn—循環次數N對應的疲勞極限；

N—循環次數，N=2 100×365=7.6×105；

σr—無限疲勞強度，取300MPa；

m—指數，與材料和尺寸有關系，本研究梭閥為中等尺寸零件，取值m=9；

N0—設定值，一般取(1～10)×106，本研究N0=5×106。

計算可得σrn=360MPa，即滿足要求。

4Cr13毛坯料粗加工后調質處理。調質可以獲得良好的綜合力學性能，調質后硬度為35HRC，調質完成后進行精加工。上閥體、下閥體表面進行高頻淬火，加熱深度為2.5mm，硬度達到55HRC；閥芯來回運動，硬度略低于閥體，加熱深度為2.5mm，硬度達到50HRC。高頻淬火既可以滿足表面硬度的使用要求，也可以滿足芯部韌性的使用要求，達到較高的使用壽命。

2.3 尺寸公差設計

梭閥安裝在閥座之中，采用間隙配合，方便安裝和拆取。閥座安裝孔公差等級為IT7，梭閥外形公差等級IT6，基本偏差f。

密封圈的使用要有一定的形變量，這樣才能起到密封作用，因此密封槽和密封圈配合為過盈配合，密封槽公差等級IT7，基本偏差h。

閥芯在打壓過程中要來回移動，因此閥芯的導向部分和下閥體圓柱形通道的整體設計采用基孔制和間隙配合，孔公差等級為IT6，基本偏差h，閥芯公差等級IT5，基本偏差g。閥芯、閥座公差如圖6所示。

圖6 閥芯、閥座公差圖

良好的同軸度是保證梭閥正確安裝和正常使用的前提。上閥體和下閥體之間同軸度是以中心線為基準，同軸度的公差范圍0.025mm。

2.4 加工精度的選擇

閥芯要和上下閥座密封配合，密封面需要研磨，粗糙度Ra0.1。閥芯要在閥座中來回移動，屬于滑動摩擦，閥芯導向面的粗糙度Ra0.8。上閥體和下閥體連接是靠螺紋連接，因此要靠螺紋加端面密封。螺紋處的兩個端面的粗糙度為Ra0.2。密封槽的粗糙度為Ra1.6，保證密封效果[6]。其余的粗糙度為Ra3.2。

2.5 密封設計

上、下閥座三道密封均使用改性聚氨酯，材質硬度高，滿足水壓試驗最高壓力140MPa的要求，其力學性能、抗老化性能、使用壽命等需滿足使用要求。密封與密封槽、密封與閥座底孔的配合都為過盈配合，密封圈發生形變，安裝到位時有一個壓緊力，起到密封作用；采用改性四氟墊片，起支撐保護密封作用，延長密封的使用壽命，安裝形式為開口式，與密封圈配合使用。

上閥體和蘑菇頭氣閥拉桿相配密封使用聚氨酯，滿足預密封水最高壓力15MPa的使用要求，其硬度、彈性、力學性能、抗老化性能等要滿足使用要求。密封和底孔、拉桿的配合都屬于過盈配合，密封圈發生形變，安裝到位時有一個壓緊力，起到密封作用。

3 梭閥現場使用問題分析

3.1 梭閥泄露原因分析

當閥芯與下閥座密封泄露時，會導致作用在大間隙密封上的預密封壓力下降，甚至導致沖水時鋼管泄漏；當閥芯與上閥座密封泄漏時，會導致高壓水沿著預密封水路泄漏，甚至導致無法打壓或者保壓。

影響閥芯與閥座密封的原因主要有兩個：一是長時間使用導致密封面出現點蝕或者出現劃痕，影響密封效果，如果不嚴重可以使用手工研磨的方式改善這種情況；二是加工精度的問題，閥芯、閥座密封面需要研磨，通常檢驗的方法是使用煤油靜止24 h，檢驗密封面是否泄漏。

梭閥上、下閥座的三道密封質量不高會導致預密封水路和高壓水路互相干涉，導致打壓失敗。因此密封圈材質選擇能承受高壓的改性聚氨酯和改性四氟墊片；上閥體和蘑菇頭氣閥拉桿相配使用的聚氨酯如果出現磨損，會影響預密封水路的密封效果。

3.2 梭閥使用壽命影響因素分析

3.2.1 材質

靜水壓試驗使用打壓液，因此梭閥本身要有防銹性能。不銹鋼中含有大量的Cr，Cr是提高抗腐蝕的基本元素。當w(Cr)＞11.7％時，在氧化介質中，鋼表面形成一層具有保護性的Cr2O3薄膜，Cr能提高鋼的電極電位，而且能使碳含量很低的鋼成為單向鐵素體組織，因而可以有效防止鋼的腐蝕[7]。使用其他材質，比如45鋼，梭閥在使用中會逐漸出現銹蝕，影響密封質量，甚至導致梭閥拆卸困難。

梭閥的使用工況要求材質有強度、耐磨等良好的力學性能。如果含碳量過低，比如2Cr13鋼和3Cr13鋼，即使熱處理后，表面硬度很難達到要求，影響最終的使用壽命。如果含碳量過高，比如9Cr18鋼，一方面加工困難，另一方面材質脆性大，也影響使用壽命[8]。

3.2.2 熱處理工藝

熱處理工藝不使用高頻淬火，而是調質直接到所需硬度，會導致閥芯和上下閥座出現變形，直接影響密封性能。整體硬度高，也會增加脆性，增加開裂的風險，降低梭閥的使用壽命。選用調質加高頻淬火的熱處理方式，一方面保證外形尺寸不變形，另一方面提高表面的耐磨性能，芯部有一定的韌性，獲得良好的綜合力學性能。

3.2.3 尺寸公差

當尺寸公差沒有達到設計要求時，會影響梭閥的使用效果，因此必須嚴格按照圖紙要求進行加工。比如梭閥閥芯的導向面和下閥體的圓柱形通道之間的間隙過大時，閥芯來回運動時晃動增加，不但會加速磨損也會影響閥芯、閥座的密封效果；間隙過小時，閥芯來回運動不暢，會影響水壓機的正常打壓。

3.2.4 加工精度

當加工精度沒有達到設計要求時，會影響梭閥的使用壽命，因此必須嚴格按照圖紙要求進行加工。比如梭閥閥芯導向面粗糙度過大會加速導向面的磨損，閥芯磨損過快會影響閥芯與閥座的密封面的配合。閥芯與上下閥座的密封面配合需要手工研磨，保證密封質量。

3.2.5 打壓液質量

當打壓液中的雜質過多時，會加劇閥芯與上、下閥座兩個密封面的磨損，嚴重影響梭閥的使用壽命。因此需要定期監控打壓液的質量，如有異常及時更換處理。定期檢查更換增壓器水路的密封，可以部分減緩打壓液中雜質對梭閥密封面的磨損和沖擊。

4 結束語

梭閥對大間隙密封上的預密封水和高壓水起到轉換作用，在工作的時候，預密封水路和高壓水路互不干涉，是水壓機設備的關鍵技術之一。設備維護人員只有充分理解其設計要點、工藝過程和工作原理，才能快速判斷故障，提出最優設備故障處理方案，提高生產效率[9]。根據梭閥使用過程中出現的問題進行分析，明確梭閥加工質量控制要點，減少生產中的異常消耗，促進備件的國產化，提高設備維護管理的精細化水平。

[1]李中詳.焊管水壓試驗機增壓原理及故障的排除[J].液壓與氣動，2005(11)：72-73.

[2]API SPEC 5CT，套管和油管規范[S].

[3]劉錫會，王蘭英，王文卿.電液比例控制在焊接鋼管靜水壓試驗中的應用[J].液壓與氣動，2000(3)：51-52.

[4]張晶晶，丁先進，周立兵.140鋼管水壓試驗機結構及調試問題處理[J].冶金設備，2012(S2)：61-63.

[5]倪蓓，賈秋蓮，張二水.乳化液防銹性能的研究[J].石油商技，2003，21(3)：11-14.

[6]徐灝.機械設計手冊(第三卷)[M].北京：機械工業出版社，1991.

[7]文九巴.機械工程材料[M].第1版.北京：機械工業出版社，2002.

[8]楊瑞成，蔣成禹，初福民.材料科學與工程導論[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002.

[9]胡學發.水壓試驗機故障診斷與故障預測方法研究[D].沈陽:東北大學信息科學與工程學院，2008.

Design Principle of Hydraulic Press Shuttle Valve and Field Application

DING Chao,ZENG Shubin
(Xi’an OCTG Company of BSG Group,Xi’an 710201,China)

In order to increase the processing quality of steel pipe hydraulic press shuttle valve,reduce using cost of shuttle valve,the design principle and processing technology were studied,including the appearance of shuttle valve,material,heat treatment,tolerance fitting,dimensional accuracy,sealing and other aspects.The problems occurredin use process of shuttle valve were analyzed,and made clear the key points of quality controlin the shuttle valve processing.The research results can be used to guide the shuttle valve processing quality acceptance and the timely disposing of field use problems,to decrease the abnormal consumptionin production,promote the localization of replacement parts,to reduce the production cost and improve the level of equipment maintenance and management.

steel pipe;hydraulic press;shuttle valve;sealing;processing technology

TH137.52

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.012

丁 超(1987—)，男，漢族，本科，工程師，主要從事石油專用管生產線的設備維護工作。

2016-08-15

黃蔚莉