大口径双向密封固定球球阀的阀座结构分析与设计

    1 概述

    在长输管线输送系统中，对管线球阀的性能等要求相当严格，如要求具有防火、防静电、防爆和0泄漏等。为了确保球阀阀座密封达到0泄漏，根据API6D标准阀座结构的原理，对阀门设计了多种复合型阀座结构，本文介绍一种新型大口径固定球球阀双向密封阀座的结构。

    2 阀座结构

    根据API6D标准提出的双阻塞与泄压（DBB）和双隔离与泄压（DIB－1和DIB－2）的阀座结构原理，阀座结构有单活塞效应、双活塞效应和组合型3种。

    （1）双阻塞与泄压阀座

    双阻塞与泄压阀座（DBB）即单活塞效应阀座是自泄压阀座结构，介质进口端和出口端阀座结构一致，它是阀前阀座密封原理，介质可以双向流动。DBB阀座有双密封阀座（图1）和单密封阀座（图2）两种结构。双密封阀座是由两个能够单独实现阀座密封的非金属材料组合而成，在介质压力作用下，初级阀座支撑座上产生的△A1环形面积差的压力加上弹簧力，确保初级阀座和球体形成密封副。

    当初级阀座密封失效后，介质通过初级阀座到达次级阀座，在次级阀座支撑座上产生的△A1＇环形面积差的压力加上弹簧力，确保次级阀座和球体形成密封副。这种阀座结构能够在阀腔内的介质压力达到公称压力的1.33倍时，推开介质出口端次级阀座支撑座，使介质压力到达初级阀座，介质再推开介质出口端初级阀座支撑座，使阀门的介质压力泄放到出口端，保障了阀门体腔内压力不过载。

1.初级阀座支撑座   2.初级阀座（尼龙）

3.次级阀座（氟橡胶） 4.次级阀座支撑座5.球体

图1 双密封的双阻塞与泄压阀座（DBB）

    （2）双隔离与泄压阀座

    双隔离与泄压阀座（DIB－1）即双活塞效应阀座，介质进口端和出口端阀座结构一致，其阀前阀座和阀后阀座都能够实现密封，介质可以双向流动。DIB－1阀座有双密封阀座（图3）和单密封阀座（图4）两种结构。双密封阀座由两个能够单独实现阀座密封的非金属材料组合而成。在介质进口端，初级阀座支撑座上产生的△A1环形面积差的压力加上弹簧力，确保初级阀座和球体形成密封副。当初级阀座密封失效后，介质通过初级阀座到达次级阀座，在次级阀座支撑座上产生的△A1＇环形面积差的压力加上弹簧力，确保次级阀座和球体形成密封副。当进口端双重阀座密封全部失效后，介质进入阀腔，到达出口端阀座，在次级阀座支撑座上产生的△A2环形面积差的压力加上弹簧力，确保次级阀座和球体形成密封副。当次级阀座密封失效，介质压力到达出口端初级阀座，介质推开初级阀座支撑座，介质进入出口端，不能形成密封副。所以，双密封阀座在出口端仅为一重阀座密封，是三重阀座密封。由于双活塞效应阀座在阀腔异常升压时，进出口两端次级阀座都能够与球体形成密封副，所以体腔内超标的介质压力不能泄放，不具备阀腔自泄压功能。因此，阀门需要在阀体上安装自动泄压阀，在阀腔压力达到公称压力的1.33倍时，可通过自动泄压阀释放阀腔内过高压力。

图2 单密封的的双阻塞与泄压阀座（DBB）

    （3）组合的双隔离与泄压阀座

    组合的双隔离与泄压阀座（DIB－2）是结合双阻塞与泄压和双隔离与泄压结构的优点，介质进口端使用DBB阀座，介质出口端采用DIB－1阀座。组合的双隔离与泄压阀座为介质单向流动，进出口两端双向密封。DIB－2结构是三重阀座密封。当体腔压力达到公称压力的1.33倍时，体腔内介质推开进口端次级阀座支撑座和初级阀座支撑座脱离球体，阀腔内的压力向介质进口端自动泄放，确保阀门安全。

    3 分析

    （1）DBB阀座的主要优点是自泄压，介质未排放到阀门外，不会增加石油和天然气等易燃易爆介质泄漏造成的危害。但是，单密封阀座仅为进口端一重密封，双密封阀座也仅仅为进口端二重密封。虽然阀座密封可以达到0泄漏，但很难满足长输管道苛刻工况的要求。

    （2）DIB－1阀座密封寿命长，基本满足长输管道的苛刻工况。但DIB－1阀座的阀腔不具备自泄压功能，需要在阀体上安装自泄压安全阀，增加了阀门的泄漏点。如果泄压安全阀失效，阀腔异常升压带来的危险无法预估。一般来说，在石油和天然气长输管道上使用较少。

图3 双密封的双隔离与泄压阀座（DIB－1）

图4 单密封的双隔离与泄压阀座（DIB－1）

    （3）DIB－2阀座综合了DBB和DIB－1结构的优点，是石油和天然气长输管道系统中，优先选择的阀座密封结构。DIB－2阀座结构比较复杂，零件较多，造成零件尺寸精度较难控制，零件的强度和刚度较差，初级和次级阀座之间距离较大，要保证两个阀座和球体都达到密封，要增大球体的直径，从而增加阀门的操作扭矩和原材料成本。DIB－2阀座应用不广泛。

    4 优化设计

    经过对DBB、DIB－1和DIB－2阀座结构的分析和研究，对大口径管线固定球球阀的阀座结构进行了优化设计。新阀座为双向双重密封，介质单向流动，进出口端双重密封（四重密封），初级阀座和次级阀座共用一个阀座支撑座，两个阀座相邻，结构简单，密封可靠，零件受力良好，确保阀座0泄漏，增加了阀座密封寿命（图5）。

图5 优化阀座（DIB－2）

    5 密封比压及操作力矩的计算与验证

    为了保证阀座的密封性能和使用寿命，对阀座的密封比压和操作扭矩进行了严格的计算与验证。结果证明，优化后阀座结构更合理，设计比压和阀门操作扭矩符合苛刻工况要求。

    （1）密封比压

    阀座为双阻塞与泄压结构，为阀座阀前密封，其密封比压q为

        （1）

    式中 P———设计压力；MPa

    d₁———双阻塞与泄压结构的阀座支承座的外径，mm

    d₂———双隔离与泄压结构的阀座支承座的外径，mm

    D₁———阀座密封面内径，mm

    D₂———阀座密封面外径，mm

    ［q］———密封面许用比压，MPa

    q_MF———密封面必须比压，MPa

    q_MF＜q＜［q］为合格。

    密封结构为双隔离与泄压结构，为阀座阀后密封，密封比压q为

        （2）

    q_MF＜q＜［q］为合格。

    （2）操作力矩

    密封结构为双阻塞与泄压结构，为阀座阀前密封，球阀处于关闭状态时，承受工作压力最大，开启瞬间操作扭矩最大，最大扭矩M为

    M=M_m+M_t+M₀+M_u+M_c     （3）

    式中 Mm———球体与阀座间的摩擦转矩，N•mm

    Mt———阀杆与填料间的摩擦转矩，N•mm

    M_O———阀杆与O形圈间的摩擦转矩，N•mm

    Mu———阀杆台肩与止推垫片间的摩擦转矩，N•mm

    Mc———轴承的摩擦转矩，N•mm

    u_T、u_o、u₁、u_c———相应材料的摩擦系数

    R———球体半径，mm

    φ———阀座密封面法向与流道中心线的夹角，（°）

    Z———阀杆处填料的数量

    h———阀杆处填料的高度，mm

    d_F、D_T———阀杆直径及阀杆台肩的外径，mm

    d₀———阀杆处O形圈的直径，mm

    密封结构为双隔离与泄压结构，为阀座阀后密封，球阀处于关闭状态时，承受工作压力最大，开启瞬间操作扭矩最大，最大扭矩M为

    M=M_m+M_t+M_O+M_u+M_c

    6 结语

    输送天然气管线采用优化阀座的大口径固定球球阀（NPS56（DN1400），压力等级Class600（PN10.0MPa）），实现了双向密封和阀座0泄漏，满足了石油天然气长输管线的技术要求。