平衡式管线旋塞阀开发设计

平衡式管线旋塞阀开发设计（慎江阀门有限公司浙江乐清325605）摘要：介绍了平衡式油密封管线旋塞阀的工作原理和主要特点，详细介绍了阀门结构设计及要求。关键词：旋塞阀；平衡式；设计；Thedesignofthebalancedplugvalvesforpipeline(shenjiangvalveco.,ltdzhejiangyueqing325605)Abstract：Introducedtheoperatingprincipleandmaincharacteristicsofthebalancedtypelubricatingplugvalvesforpipeline,andthedetailsofthevalve’sconfigurationdesignandrequirements.Keywords：plugvalve,balancetype,design1、慨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，是一种满足天然气管线特殊要求的专用阀门。要求阀门具有适用恶劣的环境、30年以上的使用寿命、双向零泄漏、失火和防静电、耐酸性介质腐蚀、以及操着省力等特殊技术性能。对于管线旋塞阀其技术标准是美国石油协会颁发的API6D标准《石油和天然气工业管线输送系统管线阀门》及API599标准《法兰和焊连接的金属旋塞阀》。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。对于本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积极的现实意义。2、阀门结构形式该种管线旋塞阀采用倒装阀芯压力平衡式油密封结构。包括阀体、阀盖、阀杆、旋塞体、联轴平衡环、阀杆密封组件和安装件。阀芯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，可以调整阀芯的位置。阀门采用防火设计，有静电导出装置，过流通道按API6D的规定有全径、规则孔及文丘里孔。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、手动等。3、工作原理及性能特点通过阀杆旋转90度使阀芯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油脂阀注入密封油脂，该油脂在注入压力作用下通过阀芯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。在阀芯大端开有通流的小孔，使管道介质能进入阀芯底部，阀芯在底部介质力推动下向上紧贴阀体倒锥面。阀芯小端装有单向阀，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。同时阀芯在上腔油脂压力及阀芯自重力作用下与阀芯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。该种管线旋塞阀与传统衬套式旋塞阀相比具有扭矩小、密封性能好、使用寿命长、适用范围宽等等显著特点。1）、密封可靠，使用寿命长。旋塞阀靠锥面密封，密封接触面大，油膜润滑并起密封作用。采用注油脂密封，在旋塞的开关运动过程中能将密封油脂均匀涂在密封面上，有效润滑密封面。同时因密封油脂的填充占位及开关过程中的檫拭作用，介质中所含的固体颗粒物不会进入密封副中，而在全开时可完全防止与流动介质的接触，有效保护密封副。2）、阀门力矩小，操着省力。采用倒装安装方式的旋塞锥体。在阀门开启瞬间，阀体下腔的压力与管道的介质压力平衡，推动旋塞体向上贴紧阀体内锥面，阀门上腔的高压密封油迫使塞体受到向下的推力，而使旋塞锥体的上下端受力达到平衡，旋转塞体时的力矩将有效减少。3）、阀体底部阀盖上装有调节支撑，可以调整阀芯的位置。在高温工况下，旋塞的热膨胀可通过其升降来吸收，避免密封副楔死。同时该装置具有将阀芯与介质摩擦可能产生的静电导出的功能。4）、阀杆防飞出设计，O形圈及石墨填料、注入密封脂三重阀杆密封设计，符合低泄漏要求；可长期可靠工作，免紧固维护，具有防火功能。4、设计4.1、结构阀门由阀体、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，可方便调整阀芯的位置及密封副预紧。阀门可按用户要求配置气动、电动、液动执行机构。4.2阀体4.2.1采用倒钟式结构整体铸造，强度高、刚性好，受力均匀，阀体，阀门质量中心与管道中心基本重合，操作稳定好。阀体壁厚按计算取值并经有限元分析优化。4.2.2阀体壁厚SB’计算依据为SB’=CPPDLn3.2式中：SB’–计算壁厚，mmP–计算压力（PN设计给定），MPaDn--计算内径（设计确定），mmσL---许用拉应力（按材料标准确定），MPaC–腐蚀余量（设计确定），mm实际设计壁厚应满足SB＞SB’为合格.4.2.3阀体密封锥面采用高速精磨加工，并经研磨后表面粗糙度小于Ra0.84.3旋塞4.3.1采用倒装式旋塞，整体锻造，精密机械加工并研磨后表面粗糙度可达Ra0.4。4.3.2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手段提高表面硬度；超音速喷涂硬质合金的表面硬度可达HRC65以上，镀镍磷合金并经热处理后，其表面硬度可达HRC58~60。在油膜润滑下具有超强的耐磨性能。4.3.3旋塞锥体的上部（小端）有一止回阀，可补偿阀腔上部的注油压力。旋塞的下部（大端）开有平衡孔，可将介质压力引入旋塞底部。4.4密封副4.4.1密封副结构形式见右图.采用金属密封结构加注油脂密封。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。4.4.2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，完全保证油膜完整、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。4.4.3锥面密封，密封接触面积大，油膜润滑，使用寿命长。4.5阀杆及阀杆密封4.5.1阀杆的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数之一。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。4.5.2阀杆与旋塞采用滑环式连接方式，可减少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。4.5.3阀杆采用防飞出设计，可在线更换填料密封件。4.5.4阀杆密封采用防火填料、O形密封圈、加注密封脂三重密封设计，阀杆机加工后表面粗糙度可达Ra0.4，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。4.5.5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。4.6阀盖及底部结构4.6.1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。4.6.2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绝对可靠的密封。4.6.3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。4.6.4底部调节杆支持阀芯，导出阀芯因各种原因产生的静电。5结语5.1自西气东输一线建成后，国内进口了大量管线旋塞阀，促进和推动了部分阀门制造企业开发该产品，但一直未能在实际项目中投入批量应用。本公司从2003年开发本平衡式管线旋塞阀并实现出口。经不断消化吸收国外新技术，对该产品的不断完善和改进，其主要技术指标达到或超过国外先进水平。新一代油密封旋塞阀，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。5.2西气东输二线主干线已经建成通气，各地区支干线及地方支线正加紧建设，预计本阀门的市场前景将十分广阔。该阀的推广使用将为国家及建设单位节省大量投资，也会为阀门制造企业带来巨大的市场机遇和经济效益。参考文献1API599-1994法兰和焊连接金属旋塞阀2API6D-2008石油和天然气工业管线输送系统管线阀门3杨源泉阀门设计手册北京机械工业出版社1992