弹簧蓄能密封球阀应用的分析

冯玉林,谢鸿玺,张建斌,靳卫华,吴磊,杨玲玲

(合肥通用机械研究院,安徽 合肥 230031)

弹簧蓄能密封球阀应用的分析

冯玉林,谢鸿玺,张建斌,靳卫华,吴磊,杨玲玲

(合肥通用机械研究院,安徽 合肥 230031)

针对管线球阀的泄漏问题,介绍了弹簧蓄能密封球阀的设计思路,详细阐述了其主要结构特性、工作原理与设计原理.和传统密封结构的球阀相比,弹簧蓄能密封球阀在制造上无特殊要求,在实际应用中效果很好.

蓄能;密封;球阀;结构分析

1 概述

管线球阀在输油管道、输气系统上应用广泛.如西气东输工程就应用了大量的管线软密封球阀,国内有很多厂也在生产此类产品,但产品质量好坏不一.有关的压力试验标准中规定,软密封阀门的密封试验技术是无可见泄漏或泄漏率为零.在对某石油公司库存阀门的抽样检查时发现,阀门在放置一段时间后,其密封性能达不到零泄漏,即使是进口的产品,也有同样的问题.除了内漏外,现在的采购方对阀门的外漏要求也越来越严格,外漏问题也不能忽视.

为了解决这些问题,弹簧蓄能式密封圈技术被一些生产厂应用到了设计中.本文介绍其中一种,阀门结构采用一体式结构,装配方便;密封性能优越,同时可以具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐磨损等优点.

2 结构及原理

2.1 结构解析

弹簧蓄能密封球阀,是在球阀的阀座密封处和阀杆密封处的设计时,分别加入一个或几个U型弹性密封圈.U型密封圈自身有一定弹性,在安装时会形成初始密封,在介质力作用下,U型密封圈受压,形成向外的张力,使密封唇紧更加贴紧密封沟槽,且介质压力越高,密封比压越高.同时高压力的介质,还会辅助U型弹性密封圈蓄能,使2密封面始终处于很好的接触状态.

弹簧蓄能密封球阀,主要包括阀体、连接体、球体、阀座、上阀杆、下阀杆、阀盖以及驱动装置,见图1.

阀体为一体式结构,两端与连接体通过螺栓固定连接,阀体腔内设有球体以及阀座,连接体上还设有法兰端、NPT螺纹端、承插焊接端、对接焊端.

连接体与阀座、阀体,以及阀体与下阀杆,阀盖与阀体的接合处,分别设有密封圈.密封圈材料可采用柔性石墨、不锈钢或PTFE等.

球体与阀座之间设有弹性阀座镶圈,阀座与连接体的接合处,分别设有弹簧以及弹簧蓄能密封圈;阀座上还设有金属阀座压板,阀座压板与阀座通过螺钉固定连接,见图2.

图1 弹簧蓄能密封球阀

图2 阀座处蓄能密封结构图

上阀杆与阀体外侧设有相互固定连接的阀盖以及连接盘,阀盖与连接盘通过销连接,并由螺钉、螺栓固定;上阀杆与阀盖之间,还设有防火密封圈以及填料垫;球体顶部通过上阀杆连接C型键,C型键的顶部连接驱动装置;上阀杆与阀盖、阀盖与阀体、阀体与连接体之间,分别设有弹簧蓄能密封圈,见图3.

图3 阀杆处蓄能密封结构

上阀杆与球体的连接处设有静电弹簧和钢球,下阀杆与球体的连接处设有摩擦垫,上阀杆外侧还设有无油润滑轴承.球体底部固定连接有下阀杆,阀体外侧面分别设有泄放阀、排污阀以及注脂阀.涉及的弹簧蓄能密封圈,材料可采用PTFE或ELGILOY.

2.2 性能优势

相对于传统密封结构的管线球阀,无论是石墨填料型式,还是O型圈密封形式,都有应用弊端.

(1)石墨填料阀门需要较大的压紧力,才能保证密封处不泄漏.较大的压紧力,会使阀门的启闭力矩加大.但现在越来越多的采购方对阀门的开启力矩有着严苛要求,所以急需一种新技术来解决这一问题.

(2)O型圈密封结构在一般情况下,能达到较好的密封效果.加工精度不够时,O型圈在槽内受力会发生剪切风险(此情况已在检测和使用过程中发生过);另外,非金属材料对腐蚀介质要区分选择,对设计人员要求较高.

美国石油协会(API)新版的系列石油石化标准中,对管线阀门的低泄漏试验进行了强制性引入,这意味着以后制造和使用的阀门都必须达到相关标准规定的泄漏率才能使用.

基于以上分析,本结构的弹簧蓄能密封球阀具有以下优势.

(1)机械加工成本无增加.这是企业考虑的重点,本文没有对机械加工部分做具体分析,原因就是它跟常规阀门的制造基本无差,不需要另外采购加工设备,也不会增加企业负担.

(2)阀门组装时,填料部分不需要加载很大的预紧力.蓄能零件只要产生一定变形量,就能达到密封效果,而且随着介质压力的升高,蓄能件产生的作用会逐渐增大.因此,阀门的操作力矩会比较小,而操作机构的选取范围会更加广泛.

(3)蓄能件配备挡板结构.常温工况阀门的蓄能件一般采用非金属材料,应用挡板结构可以规避蓄能件受力不均匀而被剪切损坏的风险.

(4)设计结构不受约束.阀门同时可以做成不同结构,如防静电、防火烧;可为软密封,也可硬密封;可侧装分体式,也可为顶装一体式;可为法兰端、螺纹端、承插焊接端、对接焊端等;可用多种驱动方式;可根据实际工况及介质性质,进行可行的经济节约.

3 结语

弹簧蓄能密封圈密封球阀是在阀门的每个泄漏点采用弹簧蓄能密封圈作为密封件,打破了常规的用橡胶O形圈作为密封件的密封原理.弹簧蓄能密封圈采用耐腐蚀、耐低温、性能优越的材料制作,密封性能非常可靠,有效地解决了因密封件老化导致阀门泄漏的缺陷,大大提高了阀门的使用寿命.本结构的成品阀门已在国内大型石油工程中使用运行,迄今未发现密封泄漏问题,此类阀门在诸多领域的应用前景广阔.

[1]杨源泉.阀门设计手册 [M].北京:机械工业出版社,1992.

[2]API 6D 24版,Specification for Pipeline and Piping Valves [S],2015.

[3]贾晓红等.弹簧蓄能密封圈密封系统的密封特性研究 [J].滑润与密封,2015(12):116-120.

[4]于文新等. PTFE蓄能密封设计及其在氯碱化工中的应用 [J].有机氟工业,2015(3):56-60.

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