新型高壓浮動雙聯球閥結構設計

徐林娟，朱正杰，葉顯斌，母澤冰，林潘忠

（1.歐維克集團有限公司，浙江 溫州 325005；2.溫州職業技術學院，浙江 溫州 325035）

高壓介質管道在石油化工、制藥等行業中應用廣泛。 為了保證其出口達到零泄漏，通常需要在管道上串聯安裝兩個閥門。當兩個閥門同時關閉后，管道下游閥門只需截斷上游閥門泄漏過來的低壓介質，確保下游閥門出口達到零泄漏，其缺點是密封效果差、使用成本高[1]。

雙聯球閥是指在一臺閥門上裝有兩個球閥，可以實現同時開關，也可以一開一關，實現雙堵塞與排放功能，具有安裝方便、使用成本低等優點。目前，多數雙聯球閥存在結構復雜、生產成本較高、使用不便、密封性能不佳、適應性不廣泛等諸多缺陷[2]。設計一種性能優越的新型雙聯浮動球閥十分必要。

1 設計計算

設計新型雙聯浮動球閥，需注意出口端的密封結構設計。閥后閥座受力要遠大于閥前閥座[2]。在材料允許的情況下，壓力越高，密封性能越好[3]。

1.1 閥座的受力分析

閥座密封如圖1所示。浮動球閥的閥座密封總作用力為：

圖1 閥座密封示意圖

式中：FMJ為閥座密封面上的介質作用力；FMY為預緊力。

對于高壓球閥，為簡化計算，忽略FMY，則得出：

式中：DMN為密封面內徑；DMW為密封面外徑。

1.2 閥座的密封比壓q計算

AMN為密封面的投影面積。

代入式（3），可得：

必須比壓：

式中，K為介質壓力影響系數；C為密封面材料相關系數

bM為密封面寬度。設計時，必須使得qb＜q＜[q]，[q]為許用比壓。

2 結構特點

針對目前常見雙聯球閥結構存在的弊端，設計了一種新型高壓浮動雙聯球閥，在滿足密封性能要求的同時，還可實現在線取樣功能。

新型高壓浮動雙聯球閥結構如圖2所示，主要由主閥體、左閥體、右閥體、閥座、密封圈、球體、后閥座、唇形密封圈、墊片、纏繞墊、閥蓋、閥桿、填料室、填料壓蓋、定位片、手柄組成。新型高壓浮動雙聯球閥為全通徑結構，結構設計主要參照API 6D的規定。球閥整體結構為浮動式結構；閥體為三片式結構；球體為浮動式結構；通過碟簧加載預緊進口側閥座；通過前后兩密封圈將彈簧與粉塵隔離，以避免彈簧腔卡死；采用本體堆焊焊接出口側閥座，以消除分體閥座和閥體之間的泄漏點；殼體為鍛造件，避免了疏松、氣孔、砂眼和夾砂等鑄造缺陷，以滿足高壓工況下的嚴苛條件。

圖2 高壓浮動雙聯球閥總體結構

2.1 閥桿防沖出及有效密封結構

新型高壓浮動雙聯球閥的閥桿設置采用密封墊片的倒密封結構。倒密封的密封力隨閥腔介質壓力的增大而增大，從而確保閥桿的密封效果。將閥桿設計為頂部裝入結構。閥桿頭部設有圓槽，套有兩對開圓環。密封套結構如圖3所示。設計有退讓孔和防吹出臺階。在緊急情況時，可以通過防吹出對開圓環頂住防吹出臺階，實現閥桿的防吹出功能，確保產品的安全性。

圖3 密封套結構

在填料設計時，采用組合填料并設有倒光臺階，能將閥腔內部的介質壓力及外部壓蓋的鎖緊力有效轉化成閥桿的密封力，以提高閥桿動密封可靠性。

2.2 在線取樣結構設計

在新型高壓浮動雙聯球閥的兩個球體之間設置取樣閥。取樣閥體的進口與閥體通道連通，出口與外界連通。在兩個取樣球體之間的取樣閥體內通道構成取樣腔，該取樣腔與設置在取樣閥體上的取樣口連通。在關閉雙聯球閥后，可以進行在線取樣。使取樣閥在靜態、低壓狀態下取樣，可保證取樣的穩定、安全、可靠。取樣結束后，可開啟出口側的取樣球體，從出口側灌入清水對取樣腔和取樣口通道進行沖洗，避免殘留物對下次取樣的樣品產生污染。

2.3 閥座支承圈

如圖4所示，將新型高壓浮動雙聯球閥的閥座活塞設計為雙重壓力自密封結構，第一重為耐高溫高壓的唇形密封圈結構，第二重為由碟簧和耐高溫石墨密封圈組成的壓力自密封結構。設計為雙重壓力自密封結構，可形成雙保險，特別適合應用于高壓氣體的密封處理。

圖4 閥座支承圈結構

2.4 防火結構

由于雙聯球閥一般被應用在石油、天然氣等易燃易爆介質的管道上，因此防火設計很重要[4]。在閥體和閥蓋連接部位，采用唇形密封圈和金屬纏繞墊片的組合密封結構；在填料函部位，采用唇形密封圈和石墨填料的組合密封結構。當發生火災使唇形密封圈燒損時，球閥的各個密封部位均能形成金屬硬密封結構，可有效阻止易燃易爆介質的擴散，防止火災擴大。

3 樣機驗證

根據設計方案，生產制造的新型高壓浮動雙聯球閥樣機如圖5所示。與原管道上串聯安裝的兩個閥門相比，使用該產品可降低成本約20%、減輕重量約35%。

圖5 新型高壓浮動雙聯球閥樣機

產品技術指標如下：

①閥門通徑：NPS 2'（DN50）；

②壓力等級：2500LB（42MPa）；

③適用溫度：-29～200℃；

④泄漏等級：ISO 5208A級；

⑤材料符合：NACE MR-0175的要求；

⑥防火安全符合：API 607和API6FA的規定。

4 結語

隨著高壓管道的應用越來越廣泛，國內外對雙聯球閥的需求也在不斷增加。設計、制造了一款新型高壓浮動雙聯球閥，通過對閥體密封結構、閥座活塞密封結構、閥桿防吹出結構、在線取樣結構、防火結構等進行創新優化，極大地提升了密封可靠性、密封等級和安全性，改變了原管道上需要安裝兩臺閥門的現狀，降低了使用成本。將該產品用在石油、天然氣等易燃易爆介質的高壓管道上，性能優勢更加明顯。