一種海洋平臺(tái)用新型艙底閥改型設(shè)計(jì)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300450)

艙底閥密封結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的艙底閥由主閥瓣、兩個(gè)側(cè)閥瓣、閥體、閥蓋、閥桿、支架、銅螺母和萬向傳動(dòng)軸等組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 現(xiàn)有艙底閥結(jié)構(gòu)

其原理是通過絲桿螺母機(jī)構(gòu)使絲桿移動(dòng)推動(dòng)主閥瓣下移，實(shí)現(xiàn)主閥瓣與下閥座之間的錐密封。目前海洋平臺(tái)艙底閥在設(shè)計(jì)及使用過程中主要存在以下問題。

1)兩側(cè)閥瓣不能產(chǎn)生側(cè)向的密封力，是靠加工尺寸精度和密封面材料的彈性實(shí)現(xiàn)側(cè)向閥座與側(cè)向閥瓣的平面密封。

該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：①船底閥的側(cè)閥是靠一體式的結(jié)構(gòu)將側(cè)閥支撐在閥桿上，當(dāng)閥桿下行時(shí)，側(cè)閥將沿著豎直方向向下移動(dòng)，并沒有向兩側(cè)伸張的趨勢，故無法向側(cè)閥瓣施加壓緊力，從而導(dǎo)致側(cè)閥密封不嚴(yán)。如果側(cè)閥密封不嚴(yán)，并且底閥的橡膠密封圈遭到破壞的情況下，將導(dǎo)致整個(gè)閥門的失效，將會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的事故。②該結(jié)構(gòu)側(cè)閥瓣僅僅依靠一個(gè)鉸接將其固定在閥桿上，如果閥瓣的密封平面與閥體的密封座的接觸平面不平行，則會(huì)存在間隙，這將會(huì)導(dǎo)致船底閥的密封失效。只有保證二者都具有較好的平面度，并且安裝位置準(zhǔn)確的情況下才能保證船底閥很好的密封。

2)為了解決無法產(chǎn)生側(cè)向密封力的問題，考慮側(cè)向密封采用彈性好的密封材料，如丁氰橡膠。但丁氰橡膠的壽命較短，導(dǎo)致艙底閥使用周期短[1]。

3)艙底閥防護(hù)現(xiàn)有艙底閥閥桿沒有防護(hù)措施，使用一段時(shí)間后閥桿銹蝕嚴(yán)重。

4)艙底閥艙底水排放不凈。現(xiàn)有的艙底閥由于排放口高于艙底板的結(jié)構(gòu)問題，導(dǎo)致艙底閥不能將壓載艙的水全排放干凈。

為了提高艙底閥的安全性和穩(wěn)定性，決定研究設(shè)計(jì)一種新型艙底閥。通過改型設(shè)計(jì)，確保新型艙底閥可實(shí)現(xiàn)以下功能。

1)通過一種機(jī)構(gòu)把底閥與側(cè)閥密封力分開，相互獨(dú)立，互不干涉，解決現(xiàn)有艙底閥一體式壓緊的缺陷。

2)通過調(diào)節(jié)側(cè)閥壓縮彈簧的壓縮力，改變側(cè)閥密封的密封力，從而達(dá)到預(yù)期的密封效果。

3)側(cè)閥密封材料改變，使耐磨性增強(qiáng)，從而延長艙底閥的維修周期。

4)改變艙底閥閥體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)艙底液體的全排功能。

5)設(shè)計(jì)艙底閥防回流裝置。

6)設(shè)計(jì)閥桿的防護(hù)裝置，避免閥桿浸泡在海水中，降低閥桿的腐蝕。

1 基于密封性能的設(shè)計(jì)方案

1.1 平行四邊形密封方案

該方案的船艙閥主要由主閥瓣、兩個(gè)側(cè)閥瓣、閥體、閥蓋、閥桿、支架、平行四邊形機(jī)構(gòu)、銅螺母和萬向傳動(dòng)軸等組成，見圖2。

圖2 平行四邊形密封方案

該方案是利用平行四邊形機(jī)構(gòu)提供側(cè)閥的密封力，當(dāng)閥桿下行時(shí)平行四邊形逐漸變?yōu)榫匦危谶@個(gè)過程中側(cè)閥將被向外推出，從而產(chǎn)生側(cè)閥的壓緊力。當(dāng)閥桿上行時(shí)，矩形逐步變?yōu)槠叫兴倪呅危谶@個(gè)過程中側(cè)閥不斷收起，見圖3。

圖3 閥瓣的啟閉過程示意

為了保證閥桿在升起的過程中側(cè)閥不會(huì)從肋板中脫落，利用側(cè)閥鉸接處開出見圖4的限位槽，來限制側(cè)閥的軸向移動(dòng)量。這樣肋板就始終可以起到導(dǎo)向的作用。

圖4 側(cè)閥瓣限位結(jié)構(gòu)

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：①三個(gè)閥瓣處設(shè)計(jì)了球頭，閥瓣可以繞球頭做小角度的任意轉(zhuǎn)動(dòng)，這種浮動(dòng)的連接方式降低了對安裝精度的要求，只要保證閥瓣和閥座的平面度即可使閥門密封副密封嚴(yán)；②該方案設(shè)計(jì)了平行四邊形機(jī)構(gòu)，當(dāng)平行四邊形變成矩形的時(shí)候?yàn)槔硐氲膲壕o位置，在這個(gè)位置壓力角為零，還具有自鎖性；③該方案克服了側(cè)閥無壓緊力、安裝精度要求高的缺點(diǎn)，降低了安裝的精度要求。

該方案的缺點(diǎn)是：①當(dāng)平行四邊形機(jī)構(gòu)超過水平位置繼續(xù)往下壓的過程中將導(dǎo)致側(cè)閥的壓緊力降低，當(dāng)密封圈出現(xiàn)磨損的情況時(shí)閥門的密封效果將大大降低；②若平行四邊形機(jī)構(gòu)尺寸存在誤差后，會(huì)發(fā)生主密封和側(cè)密封位移相互干涉的可能。

1.2 搖桿滑塊密封方案

該方案主要由主閥瓣、兩個(gè)側(cè)閥瓣、閥體、閥蓋、閥桿、支架、搖桿滑塊機(jī)構(gòu)、銅螺母和萬向傳動(dòng)軸等組成，見圖5。

圖5 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)

該方案利用搖桿滑塊機(jī)構(gòu)使三閥瓣相互增力壓緊。當(dāng)閥桿處于被提起的狀態(tài)時(shí)，底閥由于重力會(huì)拉動(dòng)兩連桿的張角減小；轉(zhuǎn)動(dòng)手輪閥桿下行，當(dāng)下閥瓣接觸閥體底部時(shí)(此時(shí)下閥瓣與閥體座只是接觸但未壓緊)，主密封閥瓣將停止下行，但是由于閥桿和底閥是通過活塞連接的，所以閥桿依然可以下行。閥桿繼續(xù)下行將導(dǎo)致連桿的張角增大，兩個(gè)側(cè)閥將被向外推出，壓向側(cè)閥座，當(dāng)側(cè)閥由于側(cè)閥座的阻擋不能繼續(xù)向外運(yùn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生反作用力作用在連桿上，并通過連桿將壓力傳遞給底閥，同時(shí)底閥產(chǎn)生的反作用力又將傳回側(cè)閥瓣。這樣三個(gè)閥瓣相互作用壓緊閥瓣，見圖6。

圖6 閥瓣的啟閉過程示意

考慮實(shí)際工況，艙底閥在海水中工作，本身要承受海水的壓力，所以不可能完全靠重力接觸底部閥筒，在打開時(shí)也有可能因?yàn)楹Ｋ畨毫Φ纳享斪饔脤?dǎo)致側(cè)閥無法正常的打開。為了克服水壓，在活塞筒中安裝彈簧，用彈簧力克服水壓力。

該方案可使三閥瓣同時(shí)壓緊，可使三個(gè)閥瓣上得到比較均衡的壓力，且壓緊力相互作用，不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)閥瓣密封不嚴(yán)的情況。這樣可保證三個(gè)閥瓣獲得足夠的壓緊力，進(jìn)而能達(dá)到比較好的密封效果。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：①可實(shí)現(xiàn)三個(gè)閥板的同時(shí)壓緊，不會(huì)出現(xiàn)密封不嚴(yán)的問題；②側(cè)閥口離安裝平面距離減小，所以船艙排水效果更好。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：①底密封為主密封，但底密封的密封力受彈簧的影響，所以主密封效果難以保證；②由于側(cè)密封開啟受連桿作用力制約，很難實(shí)現(xiàn)防回流功能。

1．3 雙滑塊密封方案

該方案主要由主閥瓣、兩個(gè)側(cè)閥瓣、閥體、閥蓋、閥桿、支架、雙滑塊機(jī)構(gòu)、銅螺母和萬向傳動(dòng)軸等組成，見圖7。

圖7 雙滑塊機(jī)構(gòu)密封方案

該方案利用閥桿向下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)底閥瓣與閥座的密封，同時(shí)依靠側(cè)閥瓣與側(cè)閥座的斜度使雙滑塊的壓縮彈簧，產(chǎn)生側(cè)向力，使側(cè)密封密封。其啟閉過程見8圖。

圖8 閥瓣的啟閉過程示意

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：①可實(shí)現(xiàn)側(cè)閥瓣與底閥瓣分離壓緊，解決側(cè)閥瓣與底閥瓣相互干涉的問題；②由于底閥瓣與側(cè)閥瓣相分離，所以可實(shí)現(xiàn)防回流的功能。

該方案的缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

分析比較以上三種方案，選擇雙滑塊機(jī)構(gòu)的密封方案作為優(yōu)先方案。

2 其他性能考慮

2.1 壓載水全排放

閥體采用階梯結(jié)構(gòu)，使得側(cè)閥口最低位與平臺(tái)艙底平齊，便于艙底壓載水全排放，見圖9。

2.2 密封副材料選擇

側(cè)密封選用壓緊式聚四氟乙烯密封；密封副的材料選擇聚四氟乙烯塑料。因?yàn)榫鬯姆蚁┮蕴荚訛楣羌埽訉ΨQ而均勻的分布在碳原子的周圍，構(gòu)成嚴(yán)密的屏障，使聚四氟乙烯具有非常寶貴的綜合物理機(jī)械性能。聚四氟乙烯具有很高的抗腐蝕性，其耐腐蝕性甚至超過玻璃、陶瓷、不銹鋼等[2]。

2.3 側(cè)密封斜度設(shè)計(jì)

側(cè)密封座設(shè)計(jì)為6°斜度的閥座，即艙底閥側(cè)閥座設(shè)計(jì)與鉛垂方向有6°的傾角，見圖10。確保側(cè)閥瓣在重力作用下與側(cè)閥座接觸，在回流水壓的作用下，能夠可靠密封，防止海水回流，實(shí)現(xiàn)防回流的功能。設(shè)計(jì)6°的傾角，也能夠保證滑塊壓頭初始側(cè)密封時(shí)作用在側(cè)閥瓣的中間位置，隨著應(yīng)用過程中磨損，滑塊壓頭逐漸下移，確保閥門側(cè)密封力。

另外，由于船底閥是長期工作在海水中，所以不免會(huì)有一些污物覆蓋在閥座上，經(jīng)過多次的啟閉，殘留在閥座上的硬質(zhì)顆粒污物可能會(huì)損傷密封圈，造成密封不嚴(yán)，所以設(shè)計(jì)6°的錐度，也會(huì)避免硬質(zhì)顆粒污物殘留在密封面上。

圖10 6°傾斜角的側(cè)密封座

2.4 虹吸裝置

增加虹吸裝置，保護(hù)閥桿免遭海水侵泡，虹吸裝置結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 虹吸裝置

保證閥桿伸縮時(shí)只與氣體接觸，通過空氣與海水隔離。當(dāng)閥桿向上移動(dòng)時(shí)，活塞下腔空間減小，壓縮空氣，壓力升高，推動(dòng)活塞上移，壓縮活塞上腔的空氣，是套筒與銅螺母接頭之間空間的海水水位下降；當(dāng)閥桿向下移動(dòng)時(shí)，活塞下腔空間增大，壓力升高，推動(dòng)活塞下移，活塞上腔的壓力減小，使套筒與銅螺母接頭之間空間的海水水位上升，但設(shè)計(jì)時(shí)保證海水不能進(jìn)入活塞腔[3]。

為確保海水不能進(jìn)入活塞腔，要求：環(huán)套空間的容積大于閥桿移動(dòng)產(chǎn)生的容積的變化。

3 結(jié)論

查詢發(fā)現(xiàn)，已有的研究缺少對艙底閥設(shè)計(jì)及使用現(xiàn)狀等方面的工程實(shí)踐。通過對現(xiàn)有艙底閥的使用分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有艙底閥在密封性能、密封件材質(zhì)和閥桿使用壽命、艙底水全排放性能等方面存在的問題。

通過對比多種主結(jié)構(gòu)方案以及輔助功能設(shè)計(jì)，在保證改型優(yōu)化的艙底閥在滿足密封性能要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了使用壽命長、防回流、艙底水全排空以及閥桿防腐等多種目的，極大提高了自升式海洋平臺(tái)艙底閥的密封性能、使用壽命、實(shí)用性等多種性能。

后續(xù)應(yīng)考慮根據(jù)現(xiàn)場需求，配備手動(dòng)、液壓傳動(dòng)、電動(dòng)[4]等不同傳動(dòng)方式，滿足不同用戶的需求。