YFB600型抱壓式閥門試驗機夾爪的改進及應用

劉小齊，張剛剛，陳安德，陳 漢，盛 哲

中國石油長慶油田分公司技術監測中心 （陜西 西安 710018）

在石油天然氣行業，DN300 mm口徑以上的球閥、閘閥及蝶閥主要用于各油氣輸送主管道，起到調節、控制管道介質流量的作用，因而閥門承壓能力及密封機構密封性能的好壞，直接影響到管線安全運行。隨著油氣田大開發，中國石油長慶油田分公司近幾年在老油田維護和新建項目等方面對大口徑閥門需求量上逐漸增加，特別是DN300～500 mm口徑的法蘭連接球閥需求量增加較明顯[1]，每年增幅達到30%，因而閥門使用前質量檢驗環節很重要。現有的YFB600型抱壓式閥門試驗機，可滿足DN300～600 mm口徑閥門的檢驗，但由于夾爪的結構設計尺寸不能匹配部分型號閥門的夾持空間，致使大部分6.4 MPa和10 MPa大口徑閥門在檢驗過程中無法有效夾持，從而導致無效受控檢驗，最終影響了閥門使用前質量的有效把控。

1 YFB600型抱壓式閥門試驗機介紹

YFB600型抱壓式閥門試驗機是根據GB/T 13927—2008《工業閥門壓力試驗》、機械行業標準JB/T 9092—1999《閥門的檢驗和試驗》、國家標準GB/T 26480—2011《閥門的檢驗和試驗》和美國石油學會標準API 598（第9版2009.9）的規范要求設計的一款夾爪式抱壓閥門試驗機，主要測試DN300～600 mm，壓力1.6～16 MPa之間法蘭連接的閥門，具體技術參數見表1。

表1 閥門試驗機主要技術參數

2 存在的問題及原因分析

YFB600型抱壓式閥門試驗機在閥門檢測過程中其動力、控制、液壓等系統都滿足所檢閥門的需求，但夾持問題卻影響了設備的應用范圍，設備利用率不高，檢測效果不佳，其主要存在的問題是無法夾持或改型夾爪變形失效。

2.1 原裝夾爪不能有效夾持

YFB600型抱壓式閥門試驗機出廠時配備的夾爪如圖1所示，夾緊部位頭部厚度45 mm、根部厚度78 mm。檢測時夾爪需伸入球閥法蘭與緊固螺栓之間卡緊閥門，為了保障閥門檢驗的安全性，夾爪卡壓部分必須在夾持過程中達到70%以上的部位（70%卡壓部位的厚度是69 mm）。由于部分球閥法蘭與緊固螺栓之間的距離L3（圖2、表2）小于安全夾持夾爪卡壓部位厚度，導致不能有效夾持完成上機檢驗，只能實行脫機檢驗，檢驗風險系數提高，受控難度較大[2]。從表2來看，主要集中在口徑DN300～500 mm、5.0 MPa以上壓力等級的法蘭連接球閥，這部分球閥在實際應用中需求量大，不能上機檢驗對檢驗效率和檢驗質量都有很大的影響。

圖1 原夾爪結構圖

圖2 法蘭連接球閥結構圖

2.2 改型夾爪受力變形

為了能有效夾持閥門，實現DN300～500 mm、5.0 MPa以上壓力等級的法蘭連接球閥的上機檢測，對夾爪卡壓部分進行了變薄改型（圖3）。改型后的夾爪有效解決了閥門在檢驗夾持過程中的空間需求，但強度降低。按照閥門試驗機夾緊油缸壓力檢驗DN350 mm、6.4 MPa閥門時，油缸夾緊力達到10.5MPa，夾爪卡壓部分出現了彎曲變形（圖4），導致在閥門檢驗夾持過程中不能形成面面夾緊。夾緊力不平衡，經常出現閥門試驗機盲板密封圈不能完全密封，壓力溶液噴漏現象，使檢驗結果無效，甚至還有過載崩裂的安全風險，不符合安全檢驗工作要求。

表2 部分球閥端部與法蘭之間的距離L 3統計

圖3 改型后夾爪結構圖

圖4 夾爪變形實物圖

2.3 改型夾爪失效原因分析

改型夾爪受力變形是因為強度不夠，那么在原裝基礎上變薄的夾爪強度降低了多少？為了便于分析，此處采用比較法，即用原裝夾爪的危險截面應力與改裝夾爪危險截面的應力作比較，首先按照實際尺寸1:1做出實物造型。夾緊部位通過分析計算，危險截面在變截面處，變截面受到的最大拉應力在位置1處、最大壓應力在位置2處（圖5），只要最大拉應力符合要求夾爪就能滿足需要，因此這里只對原裝和改型夾爪危險截面的拉應力作比較分析[3]。對原裝夾爪的三維造型進行測算，集中載荷到危險截面的距離等效為82 mm、危險截面長124.3 mm、高75 mm，按公式計算：

式中：M拉為危險截面的受力力矩，N·mm；F為危險截面的受力，N；Wz為受力面積，mm；σ原為拉應力，MPa。

圖5 原夾爪受力圖

改型后夾爪的危險截面在圖6的1～2處，最大拉應力在位置1處，經測算危險截面長111.8 mm，高33mm。假設受到同樣的載荷力F，則改型抓夾危險截面的最大拉應力為：

式中：M拉改為改型后夾爪的危險截面的受力力矩，N·mm；WZ改為改型后受力面積，mm2；σ改為改型后拉應力，MPa。

圖6 改進夾爪受力圖

將改型后變截面受到的最大拉應力與原裝比較，見公式（7）：

從計算結果來看，改型后的夾爪、變截面面積變小，受到的最大拉應力是原配的4.76倍。因材質是同樣的45#鋼，則改形后夾爪只能承受原夾爪21%左右的載荷。根據實際情況只能對其夾爪限制使用，降低了該閥門試驗機的檢驗范圍。

3 改進措施

根據閥門試驗機夾爪在檢驗夾持過程中存在的問題[4]，從結構和材質兩方面入手，解決夾爪厚度及強度問題，達到縮減夾持空間的目的。

3.1 結構改進

通過增加變截面面積，圓角過渡的結構改進（圖7），達到減少應力集中的目的。由于夾爪卡壓部分尺寸所限，這種方式改善夾爪的強度極其有限，只能微量改善，不能徹底解決強度問題。

圖7 結構改進夾爪結構圖

3.2 材質改進

要從根本上解決問題還得選用合適材料替代45#鋼，通過查閱材料手冊，從強度、加工等綜合因素考慮，最終選定30CrMnSiNi2A高強度鋼，這種材料力學性能遠優越于45#鋼（表3），市場供應充足，改進成本不高。30CrMnSiNi2A是一種綜合性能良好使用廣泛的低合金高強度鋼[5]，是在30CrMnSiA高強度鋼內添加1.4%～1.8%Ni含量，大大提高了鋼的塑性及強韌性，經熱處理后可獲得高的強度、好的塑性和韌性、良好的抗疲勞性能和斷裂韌度、低的疲勞裂紋擴展速率，其屈服強度隨著應變率的增加而增大，變化范圍約為1 655～1 908 MPa。

從表3明顯可以看出，30CrMnSiNi2A高強度鋼抗拉強度是45#鋼的2.4倍，屈服強度是45#鋼的3.5倍，因此在改善閥門試驗機夾爪厚度、提高使用安全系數方面有較好的效果。通過強度計算，改用30CrMnSiNi2A高強度鋼變薄的夾爪能夠滿足原裝夾爪91%的強度要求。因為在具體檢驗中，需高強度檢驗的閥門數量不足總檢驗量的5%，用30CrMn-SiNi2A高強度鋼替代45#鋼制作薄型夾爪，可滿足夾持力在0～26.5 MPa之間夾緊力的閥門。

4 使用效果

改進后的夾爪已使用4個月，共檢驗DN300～500 mm閥門26只，最高檢驗夾緊壓力達到26.5 MPa（表4），夾爪外觀完好、無變形，同時具有可觀的經濟效益和安全效益。

表3 30Cr MnSiNi2A鋼和45#鋼力學性能比較表

表4 改進后夾爪檢驗閥門統計表

4.1 經濟效益

用30CrMnSiNi2A高強度鋼加工8只改型夾爪，雖然一次投入成本相對較大，但是長遠經濟效益較好。由于原夾爪厚度和變薄夾爪強度問題，導致該試驗機可檢閥門率不足40%，利用率較低，然而用30CrMnSiNi2A材質加工的夾爪把該試驗機閥門可檢率提高到91%，大大提高了利用率。改進夾爪在該機型上的使用基本避免了購置新機型滿足檢驗部分DN300～600 mm閥門的試驗機費用，可直接節約費用大約60萬元。

4.2 安全效益

雖然原夾爪在強度和工藝上滿足閥門檢驗的要求，但同是45#鋼材質變薄夾爪不能滿足。變薄夾爪在使用中會產生變型，導致夾持過程夾爪和閥門法蘭接觸形成線接觸，不能有效形成面夾持，進而夾持力不能均勻傳遞到檢驗密封板上，導致檢驗用密封O型圈經常會在高壓水的作用下變形崩裂，噴射出高壓水柱，易給檢驗人員造成人身傷害。然而，30CrMnSiNi2A材質加工的改進夾爪有效避免了以上安全隱患。

4.3 綜合效益

由于夾持有效空間的限制，部分大口徑閥門不能使用原夾爪形成有效夾持，只能選擇脫機檢驗，檢驗結果人為因素干擾較大，同時脫機檢驗勞動強度較大。如選擇駐場外檢不但受控難度較大，也會產生大量額外的出差費用。使用30CrMnSiNi2A高強度鋼加工的改進夾爪不但降低脫機檢驗的頻次，也提高了檢驗質量的可控性。

5 結論

30CrMnSiNi2A高強度鋼加工的改進夾爪有效縮減了夾持空間，使DN300～600 mm大口徑閥門在YFB600型閥門試驗機上可檢率從40%提高到91%，基本避免了購置新機型滿足檢驗的需求，減少投資成本，也降低了高壓水柱傷害風險，同時也降低了駐廠檢驗的頻次，因而改進夾爪在抱壓夾持閥門試驗機上有一定的推廣價值。