平衡式管线旋塞阀开发设计

    1 概述

    管线旋塞阀是用于长输天然气管线及场站控制系统的切断阀门, 能够满足天然气管线特殊要求。该阀要求具有适合苛刻工况、使用寿命30年以上、双向零泄漏、防火和防静电、耐酸性介质腐蚀、以及操作省力等特殊技术性能。管线旋塞阀执行的技术标准是API 6D5石油和天然气工业管线输送系统管线阀门6和API 5995法兰和焊连接的金属旋塞阀6。目前, 国内天然气管线及场站控制系统使用的旋塞阀全部采用进口的倒装平衡式油密封旋塞阀。管线旋塞阀的国产化开发及在长输天然气管线系统推广应用具有重要作用。

    2 阀门结构

图1 管线旋塞阀

图2 旋塞

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    管线旋塞阀(图1)采用倒装旋塞(图2)压力平衡式油密封结构。该阀由阀体、阀杆、旋塞、底盖、联轴平衡环、预压弹簧、旋塞调整杆、底盖密封调整垫片、注脂阀、阀杆密封组件等组成。底部密封调整垫片通过底盖压紧实现阀体中腔与外界的完全隔离, 密封可靠, 无泄漏。底部阀盖上安装有带保护罩的调节螺钉, 可方便调整旋塞的位置及密封副预紧。阀门可按需要配置气动、电动、液动执行机构。旋塞表面硬化处理并开有特殊油槽回路, 阀体外有双密封油脂注入装置, 一个是通过注入油脂对阀杆实现紧急密封, 另一个是将油脂注入到阀体上腔。锥形旋塞体的小端通过平衡环与阀杆连接, 阀体底部阀盖上装有调节支撑, 可以调整旋塞的位置。阀门采用防火设计, 有静电导出装置, 过流通道有全径、规则孔及文丘里孔等类型。阀门材料可采用碳钢、低温钢、不锈钢及合金钢。驱动方式有电动、气动和手动等。

    3 工作原理及性能特点

    管线旋塞阀是通过阀杆旋转90b使旋塞上的通道口与阀体上的通道口接通或断开, 实现阀门开启或关闭。通过该阀阀腔上部设计的注脂阀注入密封油脂, 该油脂在注入压力作用下通过旋塞表面的特殊油槽均匀涂抹在密封面上, 形成致密的油膜层实现阀门双向密封并起润滑密封面的作用。在旋塞大端开有通流的小孔, 使管道介质能进入旋塞底部, 旋塞在底部介质力推动下向上紧贴阀体倒锥面。旋塞小端装有单向阀, 当阀腔上部的注脂压力高于管道介质压力时单向阀截止, 当阀腔上部的油脂压力低于介质压力时管道介质通过单向阀进入阀体上腔以补充油脂压力。同时旋塞在上腔油脂压力及旋塞自重力作用下与旋塞底部向上的介质推力保持平衡, 可以大大减轻密封面的密封比压, 降低阀门操作力矩, 延长阀门使用寿命。

    管线旋塞阀与普通衬套式旋塞阀相比, 具有扭矩小, 密封性能好, 使用寿命长, 适用范围宽, 旋塞位置可以调整等特点。

    4 设计

    4.1 阀体

    阀体(图3)采用倒钟式结构整体铸造, 强度高, 刚性好, 受力均匀, 阀体和阀门质量重心与管道重心基本重合, 操作稳定性好。阀体壁厚按计算取值并经有限元分析优化。阀体密封锥面采用高速精磨及研磨加工, 表面粗糙度精度小于R a 018Lm。

    4.2 旋塞

图3 阀体

    旋塞采用倒装式整体锻造, 精密机械加工并研磨后表面粗糙度可达Ra 014Lm。旋塞表面采用氮化、镀镍磷合金或喷涂硬质合金等表面处理方法提高表面硬度。超音速喷涂硬质合金的表面硬度可达65HRC 以上, 镀镍磷合金并经热处理后, 其表面硬度可达58～60HRC。在油膜润滑下具有超强的耐磨性能。旋塞锥体上部(小端)有一止回阀, 可补偿阀腔上部的注油压力。旋塞下部(大端)开有平衡孔, 可将介质压力引入旋塞底部。

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    4.3 密封副

    管线旋塞阀密封副采用金属密封加注油脂密封结构。由于密封油脂的填充占位作用, 介质中的固体颗粒物不会进入密封面, 对密封面有非常好的保护作用。因油脂的润滑使阀门操作力矩小, 操作省力。旋塞表面上特殊的非对称油槽设计, 转动旋塞时密封脂自动加注无泄漏, 保证油膜完整, 密封可靠。这种非对称的油槽设计油耗损失非常小, 延长了油脂的加注时间和使用周期。锥面密封使密封接触面积大, 油膜润滑, 使用寿命长。

    4.4 阀杆及阀杆密封

    阀杆强度和密封性能是影响阀门操作及阀门整体性能的主要因素之一。阀杆的受力主要来自于填料处的摩擦力、操作扭矩及介质的推力。阀杆与旋塞采用滑环式连接方式, 可减小阀杆中心与旋塞锥面的同心度误差, 改善阀杆的受力条件和操作性能。阀杆采用防脱出设计, 可在线更换填料密封件。阀杆密封采用防火填料、O 形圈、加注密封脂三重密封设计, 阀杆机加工后表面粗糙度可达R a 014Lm, 完全满足阀杆密封低泄漏要求, 可长期可靠工作, 免紧固维护。阀杆采用4140材料整体锻造, 并加调质处理, 强度高, 韧性好。阀杆表面采用氮化或镀镍磷合金, 表面硬度高, 抗摩擦磨损。

    4.5 阀盖及底部结构

    底部阀盖是阀门底部承压件, 同时又是底部密封垫片、底部调节杆的固定和安装支撑件, 要求具有高的刚度和强度。其设计制造执行ASME规范关于法兰盖的设计要求。底部阀盖的密封采用整体密封垫完全隔离式结构, 在保证阀盖螺栓紧固力时阀门具有可靠的密封。安装在阀盖底部的调节杆采用内置式结构。调整完成后旋紧压盖完全零泄漏。底部调节杆支承旋塞, 导出旋塞因各种原因产生的静电。

    5 结语

    西气东输一号线建成后, 国内进口了大量管线旋塞阀, 促进和推动了阀门制造企业开发该产品。经不断消化吸收国外新技术, 对该产品的不断完善和改进。新一代油密封旋塞阀实现了双向零泄漏, 密封性能好, 使用安全可靠, 阀门扭矩小, 操作省力, 油膜润滑无磨损, 使用寿命长, 可广泛应用于天然气管网及场站控制系统。