淺談高壓平板閘閥閥座組件結構的改進設計

張紹華，陶國慶，劉建鋒，葉志烜，余宏兵

（合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031）

1 概述

平板閘閥有密封可靠、結構簡單、開關扭矩小和便于操作等優點，是石油化工和天然氣管線工程等領域中管路上常用閥種。隨著石油化工裝置和石油天然氣管線工程的大型化，與其配套的平板閘閥的口徑也越來越大，壓力越來越高。當運行壓力達到10MPa 及以上，在進行全壓差開啟時，經常發生閥座損壞并產生泄漏的現象，由此給管道工程帶來安全隱患。本文介紹了一種新的閥座組件結構，有效解決了高壓平板閘閥全壓差開啟時閥座破壞的問題，能滿足高壓平板閘閥全壓差開啟要求，使其符合API 6D 對管線平板閘閥的規定，保證平板閘閥的密封性能和使用壽命。

2 平板閘閥密封原理

平板閘閥的主要部件有閥體、閥蓋、閥桿、閘板和閥座組件等，見圖1。兩個閥座組件采用單活塞結構, 閘板與閥桿間采用T 形連接，閘板可以沿介質方向浮動，兩閥座組件以閘板為中心對稱分布，與閘板形成一套浮動組合件，通過閘板升降來實現流體的截斷和流通。一般情況閘板上升為開啟，下降為關閉。當閘板向下關閉后，兩端閥座組件在尾部預緊彈簧的作用下使之抱緊閘板形成初始密封，介質推動上游閥座貼緊閘板，形成自緊密封，介質壓力越高密封力越大。當上游密封發生破壞后，閘板可浮動，在介質作用下，閘板可以與下游閥座形成第二道自緊密封。由于閘板是浮動的，無論是上游閥座密封還是下游閥座密封，巨大的介質推力均由下游閥座承受。

圖1 平板閘閥示意圖

3 閥座損傷現象與損傷原因分析

3.1 閥座損傷現象

閥座組件由閥座支撐環、閥座和O 形圈等組成，閥座為密封件，通常選擇為增強四氟等非金屬材料，閥座支撐環是用于固定和支撐閥座的金屬部件，閥座支撐環上設計有閥座固定槽，閥座安裝于其中。當閥門組裝后進行全壓差開啟試驗時，一端進壓，另一端無壓力，對閥門進行開啟，底部閥座（面對流道6 點鐘位置）突起（圖2），當閘板關閉時，突起部分被剪切形成缺口（圖3），造成閥門泄漏。

3.2 損傷原因分析

當閥門關閉時，閘板自上而下運動，將閥座與閥座固定槽底部間空氣大部分擠壓到閥座支撐環底部（面對流道6 點鐘位置）。閥門單端進壓進行全壓差開啟時，下游閥座承受全部介質推力，下游閥座與環槽底部間的空氣被壓縮到非常高的壓力，閥門進行開啟時，閘板與閥座開始脫離，當閘板下邊緣到達閥座內側邊緣即將脫離時，閥門還未泄壓，但下游閥座已有部分已與閘板脫離，局部受力失去平衡，閥座會被環槽底部壓縮空氣推出，形成局部凸起，造成破壞。

4 當前結構及工藝處理缺點

當前高壓平板閘閥的閥座組件設計，各個制造工廠存在一定差別。有的工廠的閥門在5MPa 的壓差下開啟，閥座即被破壞；有的工廠的閥門在10MPa 的壓差下開啟，閥座即被破壞。為了滿足API 6D 中全壓差開啟的要求，制造工廠對閥座支撐環或閥座進行了改進，常見方式如下。

圖2 閥座凸起

圖3 閥座被閘板剪切

（1）采用強度和硬度高的閥座材料。這一方式雖然能夠滿足全壓差開啟的要求，但低壓密封困難，要求加工精度高，閥門壓力試驗返修率高。

（2）采用硬度較高的閥座材料，用強力粘接劑將閥座與閥座支撐環粘接。這種方式一般可以承受一至三次的全壓差開啟，滿足出廠要求，但在實際使用中多次啟閉后，閥座又被破壞或變形，造成閥門內漏，影響管線運行。

（3）采取組合式閥座支撐環，閥座支撐環分成兩部分，將閥座卡在組合閥座支撐環中。但這一方式加大了內件尺寸，從而需要加大閥體尺寸，組合閥座支撐環加工形狀較復雜，精度要求高，增加了制造成本。

5 閥座組件結構改進方案、工作原理及試驗驗證

5.1 閥座組件結構改進方案

針對現有技術所存在的不足之處，在不影響原閥門整體尺寸的基礎上，對閥座組件結構進行了改進，成功的解決了全壓差開啟閥座損傷的問題，保證了平板閘閥的密封性能和使用壽命。具體結構如下（見圖4）。

（1）在閥座支撐環放置閥座的環槽底部均布一定數的排氣孔,孔直徑為2.5 ～4mm，在不與其他加工尺寸干涉時，盡量取大值。排氣孔中心線與環槽底部面重合，使環槽底部與閥座支撐環外環面貫通。DN400 及以下均布4 個，DN500-DN900 均 布6 個，DN1000-DN1600 至少均布8 個。

（2）在環槽開口位置外側設計一個突出1mm 左右的止口。

（3）在環槽底部，最先與閘板脫離位置，設計平衡孔（見圖5）。平衡孔的大小、間距和數量的確定準則：L：閘板與閥座脫離時，閘板下邊緣與閥座支撐環環槽外圓兩交點的距離；N：設計需要的至少平衡孔數量；n:平衡孔計算數量；d：平衡孔直徑(d 一般取2.5 ～4mm，在不與其他加工尺寸干涉時，盡量取大值)；l：平衡孔中心距離，l=3d。

圖4 閥座組件局部圖

圖5 閘板即將脫離底部閥座

當n 有小數時，直接進一位圓整；當n 為奇數時，N=n；當n 為偶數時，N=n+1。

L、l 和d 見示意圖5。

以上公式適用于DN25 以上的平板閘閥，DN25 及以下的平板閥只需要設計一個平衡孔（N=1），及將其中一個排氣孔安裝到閥門流到底部（面對流道6 點鐘位置）即可。

5.2 改進后閥座組件結構的工作原理

閥座安裝在閥座支撐環的環槽中之后，在高壓設備壓緊時，閥座底部與環槽之間的空氣通過均布的排氣孔排除，閥座發生冷流，以此填滿整個環槽，止口處也會完全貼合，再完成閥座密封面的加工即可組裝。閥門組裝后進行全壓差開啟試驗時，閥門關閉，閘板向下運動，使閥座底部與環槽間的空氣向底部（面對流道6 點鐘位置）擠壓，均會通過底部平衡孔排出；閘板關閉到位，上游進壓，介質將閘板推向下游閥座，下游閥座承受巨大的推力，閥座底部與環槽底部間殘留的空氣再次從平衡孔中排出，防止積壓。當閥門進行開啟時，閘板與閥座開始脫離，當閘板下邊緣到達閥座內側邊緣時，此處閥座前后壓力平衡，閥座不會發生破壞。即使有少量殘留空氣使閥座有向外推出的趨勢，也會被環槽頂部的止口擋住，從而防止閥座破壞。

5.3 改進后閥座組件結構的試驗驗證

針對改進后的閥座組件結構，采用了DN50 PN150、DN100 PN150、DN350 PN150、DN600 PN150 和DN800 PN100 共5 個規格的平板閘閥各一臺進行驗證試驗，每個閥座進行20 次（每臺閥門共進行40 次）全壓差開啟試驗，PN150 閥門的試驗壓差為不低于15MPa，PN100 閥門的試驗壓差為不低于10MPa。試驗前按照 API 6D 要求對閥座進行了高壓水密封試驗，均合格，然后每5 次全壓差開啟試驗后對閥座進行表面檢查，并按照 API 6D 要求進行一次高壓水密封試驗。完成所有試驗后再次對閥座組件進行檢查，閥座高壓水密封試驗合格，閥座表面無損傷。

試驗結果表明安裝改進后閥座組件的高壓平板閘閥能夠滿足全壓差開啟要求，且性能穩定，使用改進后閥座組件高壓平板閘閥將極大的降低管道工程閥門內漏的可能性。

圖6 DN350 PN150 規格試驗

圖7 DN600 PN150 規格試驗

6 結語

本文對高壓平板閘閥全壓差開啟時的狀態進行了分析，提出了一種新的閥座組件結構設計，并通過試驗驗證，從原理上徹底解決了高壓平板閘閥全壓差開啟時閥座破壞的問題。新閥座組件結構設計幾乎不影響原閥門整體尺寸，基本不增加閥門生產總成本，又滿足高壓平板閘閥全壓差開啟要求，符合API 6D 規定，可保證高壓平板閘閥的密封性能和使用壽命。