一种海洋平台用新型舱底阀改型设计

2019-07-03

船海工程 2019年3期

关键词：阀体滑块密封

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300450)

舱底阀密封结构现有的舱底阀由主阀瓣、两个侧阀瓣、阀体、阀盖、阀杆、支架、铜螺母和万向传动轴等组成，其结构见图1。

图1 现有舱底阀结构

其原理是通过丝杆螺母机构使丝杆移动推动主阀瓣下移，实现主阀瓣与下阀座之间的锥密封。目前海洋平台舱底阀在设计及使用过程中主要存在以下问题。

1)两侧阀瓣不能产生侧向的密封力，是靠加工尺寸精度和密封面材料的弹性实现侧向阀座与侧向阀瓣的平面密封。

该结构的缺点是：①船底阀的侧阀是靠一体式的结构将侧阀支撑在阀杆上，当阀杆下行时，侧阀将沿着竖直方向向下移动，并没有向两侧伸张的趋势，故无法向侧阀瓣施加压紧力，从而导致侧阀密封不严。如果侧阀密封不严，并且底阀的橡胶密封圈遭到破坏的情况下，将导致整个阀门的失效，将会产生非常严重的事故。②该结构侧阀瓣仅仅依靠一个铰接将其固定在阀杆上，如果阀瓣的密封平面与阀体的密封座的接触平面不平行，则会存在间隙，这将会导致船底阀的密封失效。只有保证二者都具有较好的平面度，并且安装位置准确的情况下才能保证船底阀很好的密封。

2)为了解决无法产生侧向密封力的问题，考虑侧向密封采用弹性好的密封材料，如丁氰橡胶。但丁氰橡胶的寿命较短，导致舱底阀使用周期短[1]。

3)舱底阀防护现有舱底阀阀杆没有防护措施，使用一段时间后阀杆锈蚀严重。

4)舱底阀舱底水排放不净。现有的舱底阀由于排放口高于舱底板的结构问题，导致舱底阀不能将压载舱的水全排放干净。

为了提高舱底阀的安全性和稳定性，决定研究设计一种新型舱底阀。通过改型设计，确保新型舱底阀可实现以下功能。

1)通过一种机构把底阀与侧阀密封力分开，相互独立，互不干涉，解决现有舱底阀一体式压紧的缺陷。

2)通过调节侧阀压缩弹簧的压缩力，改变侧阀密封的密封力，从而达到预期的密封效果。

3)侧阀密封材料改变，使耐磨性增强，从而延长舱底阀的维修周期。

4)改变舱底阀阀体结构，实现舱底液体的全排功能。

5)设计舱底阀防回流装置。

6)设计阀杆的防护装置，避免阀杆浸泡在海水中，降低阀杆的腐蚀。

1 基于密封性能的设计方案

1.1 平行四边形密封方案

该方案的船舱阀主要由主阀瓣、两个侧阀瓣、阀体、阀盖、阀杆、支架、平行四边形机构、铜螺母和万向传动轴等组成，见图2。

图2 平行四边形密封方案

该方案是利用平行四边形机构提供侧阀的密封力，当阀杆下行时平行四边形逐渐变为矩形，在这个过程中侧阀将被向外推出，从而产生侧阀的压紧力。当阀杆上行时，矩形逐步变为平行四边形，在这个过程中侧阀不断收起，见图3。

图3 阀瓣的启闭过程示意

为了保证阀杆在升起的过程中侧阀不会从肋板中脱落，利用侧阀铰接处开出见图4的限位槽，来限制侧阀的轴向移动量。这样肋板就始终可以起到导向的作用。

图4 侧阀瓣限位结构

该方案的优点是：①三个阀瓣处设计了球头，阀瓣可以绕球头做小角度的任意转动，这种浮动的连接方式降低了对安装精度的要求，只要保证阀瓣和阀座的平面度即可使阀门密封副密封严；②该方案设计了平行四边形机构，当平行四边形变成矩形的时候为理想的压紧位置，在这个位置压力角为零，还具有自锁性；③该方案克服了侧阀无压紧力、安装精度要求高的缺点，降低了安装的精度要求。

该方案的缺点是：①当平行四边形机构超过水平位置继续往下压的过程中将导致侧阀的压紧力降低，当密封圈出现磨损的情况时阀门的密封效果将大大降低；②若平行四边形机构尺寸存在误差后，会发生主密封和侧密封位移相互干涉的可能。

1.2 摇杆滑块密封方案

该方案主要由主阀瓣、两个侧阀瓣、阀体、阀盖、阀杆、支架、摇杆滑块机构、铜螺母和万向传动轴等组成，见图5。

图5 摇杆滑块机构密封结构

该方案利用摇杆滑块机构使三阀瓣相互增力压紧。当阀杆处于被提起的状态时，底阀由于重力会拉动两连杆的张角减小；转动手轮阀杆下行，当下阀瓣接触阀体底部时(此时下阀瓣与阀体座只是接触但未压紧)，主密封阀瓣将停止下行，但是由于阀杆和底阀是通过活塞连接的，所以阀杆依然可以下行。阀杆继续下行将导致连杆的张角增大，两个侧阀将被向外推出，压向侧阀座，当侧阀由于侧阀座的阻挡不能继续向外运动时将产生反作用力作用在连杆上，并通过连杆将压力传递给底阀，同时底阀产生的反作用力又将传回侧阀瓣。这样三个阀瓣相互作用压紧阀瓣，见图6。

图6 阀瓣的启闭过程示意

考虑实际工况，舱底阀在海水中工作，本身要承受海水的压力，所以不可能完全靠重力接触底部阀筒，在打开时也有可能因为海水压力的上顶作用导致侧阀无法正常的打开。为了克服水压，在活塞筒中安装弹簧，用弹簧力克服水压力。

该方案可使三阀瓣同时压紧，可使三个阀瓣上得到比较均衡的压力，且压紧力相互作用，不会出现一个阀瓣密封不严的情况。这样可保证三个阀瓣获得足够的压紧力，进而能达到比较好的密封效果。

该方案的优点是：①可实现三个阀板的同时压紧，不会出现密封不严的问题；②侧阀口离安装平面距离减小，所以船舱排水效果更好。

该方案的优点是：①底密封为主密封，但底密封的密封力受弹簧的影响，所以主密封效果难以保证；②由于侧密封开启受连杆作用力制约，很难实现防回流功能。

1．3 双滑块密封方案

该方案主要由主阀瓣、两个侧阀瓣、阀体、阀盖、阀杆、支架、双滑块机构、铜螺母和万向传动轴等组成，见图7。

图7 双滑块机构密封方案

该方案利用阀杆向下移动，实现底阀瓣与阀座的密封，同时依靠侧阀瓣与侧阀座的斜度使双滑块的压缩弹簧，产生侧向力，使侧密封密封。其启闭过程见8图。

图8 阀瓣的启闭过程示意

该方案的优点是：①可实现侧阀瓣与底阀瓣分离压紧，解决侧阀瓣与底阀瓣相互干涉的问题；②由于底阀瓣与侧阀瓣相分离，所以可实现防回流的功能。

该方案的缺点是：结构复杂，成本高。

分析比较以上三种方案，选择双滑块机构的密封方案作为优先方案。

2 其他性能考虑

2.1 压载水全排放

阀体采用阶梯结构，使得侧阀口最低位与平台舱底平齐，便于舱底压载水全排放，见图9。

2.2 密封副材料选择

侧密封选用压紧式聚四氟乙烯密封；密封副的材料选择聚四氟乙烯塑料。因为聚四氟乙烯以碳原子为骨架，氟原子对称而均匀的分布在碳原子的周围，构成严密的屏障，使聚四氟乙烯具有非常宝贵的综合物理机械性能。聚四氟乙烯具有很高的抗腐蚀性，其耐腐蚀性甚至超过玻璃、陶瓷、不锈钢等[2]。

2.3 侧密封斜度设计

侧密封座设计为6°斜度的阀座，即舱底阀侧阀座设计与铅垂方向有6°的倾角，见图10。确保侧阀瓣在重力作用下与侧阀座接触，在回流水压的作用下，能够可靠密封，防止海水回流，实现防回流的功能。设计6°的倾角，也能够保证滑块压头初始侧密封时作用在侧阀瓣的中间位置，随着应用过程中磨损，滑块压头逐渐下移，确保阀门侧密封力。

另外，由于船底阀是长期工作在海水中，所以不免会有一些污物覆盖在阀座上，经过多次的启闭，残留在阀座上的硬质颗粒污物可能会损伤密封圈，造成密封不严，所以设计6°的锥度，也会避免硬质颗粒污物残留在密封面上。

图10 6°倾斜角的侧密封座

2.4 虹吸装置

增加虹吸装置，保护阀杆免遭海水侵泡，虹吸装置结构见图11。

图11 虹吸装置

保证阀杆伸缩时只与气体接触，通过空气与海水隔离。当阀杆向上移动时，活塞下腔空间减小，压缩空气，压力升高，推动活塞上移，压缩活塞上腔的空气，是套筒与铜螺母接头之间空间的海水水位下降；当阀杆向下移动时，活塞下腔空间增大，压力升高，推动活塞下移，活塞上腔的压力减小，使套筒与铜螺母接头之间空间的海水水位上升，但设计时保证海水不能进入活塞腔[3]。

为确保海水不能进入活塞腔，要求：环套空间的容积大于阀杆移动产生的容积的变化。