超高压采气井口平板闸阀密封结构技术研究

李雪野

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河热采机械制造分公司，辽宁盘锦 124000）

0 引言

超高压采气井口平板闸阀能够在强大的压力下保持封闭状态，而且使用便捷，容易掌控，在各种强压类型的工程中被广泛使用。但是，如果井内的压力过小，压力值＜10 MPa 时，其平板闸阀的封闭性反而变得非常差。以API6A 作为标准，平板闸阀一定要在经过反复试验后再投入使用。可以把平板阀放到气压在1.8～2.2 MPa 的情况下进行实验，品质好的平板闸阀必须能适应高压环境，也要能够适应低压环境，才能够保持其封闭性始终良好。通常情况下，被应用到高压井内的平板闸阀，内部零件之间的密封选用金属密封方式。其原理是利用超高压环境，利用中间的强压来使平板和阀座紧紧连接。在气压较低的环境里，则必须进行严密设计，通过控制密封面上的密封比压，来使平板阀门零部件之间产生预紧力，使阀座与闸板之间产生压力，从而紧密地连接到一起。

经过严密的分析研究，选用不同种类的平板闸阀进行实际操作演练，发现密封副工艺尺寸链、总的位置公差和零部件的选材等，都与平板闸阀的密封性能有着非常密切的关系。密封副间的距离要符合相关规范和标准，才能确保整个加工项目的精准性，还要尽可能计算出精确的O 形圈、非金属密封压缩量、波形弹簧的预紧力数据。提出平板闸阀在超高压采气井口下也能保持密封严紧的办法。

1 平板闸阀的密封结构

1.1 平板闸阀底座同闸板的密封

最普遍、最常用的平板闸阀是单闸板阀和双闸板阀，不同的工作需要不同的闸板。为使闸板同阀座之间能够紧密连接，一般选择金属对金属压力自紧式浮动密封方法，可以按照结构差异划分成进口端密封和出口端密封两类。

单闸板通常形如板砖，有孔隙，表面比较平滑整齐，闸板的密封表面经过了硬化处理和打磨抛光，硬度非常合适，适宜应用到气压比较高的工作环境中。其工作原理简单，即打开阀门，其闸板上的孔隙同阀座的孔隙完整对接，再同管道结合而构成一个完善通道，介质不会因为通过阀门而受到过强阻力造成损耗。无论是选择在进口处密封还是在出口处密封，都要确保浮动的闸板同阀座紧密连接，才能有效避免其介质内含的物质损坏闸板。如果闸板是在低压环境下工作，可以利用密封圈或厘米弹簧的预压力同密封面结合，产生油膜，从而达到密封效果。

双闸板一般是扩张型的组织结构，包括主板和副板两个板面，按照行程挡块来确定副板的位置。在运行工作期间，主板依靠内斜面来撑开闸板，如果遇到低压的工作环境，最好由人工操作使其密封完整；在高压环境下工作，则需要靠其中流动的介质来密封。双闸板有很多优势，尤其能够减缓密封面的磨损程度，摩擦通常发生在内斜面上，起到一定的保护作用，增强其密封性，从而增加使用年限。

虽然双闸板有一定优势，但就总体的性能而言，双闸板尚显繁杂，制作、安装工作都比较困难，资金投入远大于单闸板阀。因此，我国的大部分企业选择各方面相差不大的单闸板阀，针对复杂环境、单闸板阀无法投入使用时，才会制作和安装双闸板阀。

1.2 密封阀杆填料处

阀杆填料处需要密封完整，一般用密封圈将两者密封，按照具体模式有三种密封方法，包括机械式密封、半机械式密封和自封式唇形复合密封。当气压＞70 MPa 时，密封阀杆填料处会选择此种密封方式。该密封方式将形状像嘴唇的密封圈镶嵌到密封槽内，形成O 样式的圈体，能够提升整个密封圈裙部的弹性，让此部位密封性更好。在气压非常高的环境中，一般会将填料函设计成双层的密封圈，此时仅依赖旋紧阀帽将整个结构密封是非常困难的，其零部件的承受力也不足。为保证整个组织不出现泄漏现象，可以在入口处涂抹密封膏或密封油脂，在阀杆上设计出倒密封结构，使密封工作得到多重保障，一旦密封环境被破坏，密封膏也会被破坏，此结构能够防止介质泄漏。倒密封结构中的零件可以随时替换，操作简单快捷，能够确保工程在安全的环境下正常运行。因为填料处的结构可以移动，只有拥有较强大的径向力才能够产生适合的比压，符合密封要求。同时，密封时要在最大程度上减少摩擦和破损问题。密封问题必须引起工作人员的重视，否则会直接缩短产品的使用期限，甚至威胁工作人员的生命安全。

1.3 密封阀座与阀体间隙

通常情况下，选择字母O 样式的圈体或者D 形圈来进行密封工作，保证两者接触的任何部位都能密封完整，且有双重保障。

1.4 密封好阀体与阀盖连接的位置

在气压值非常高的环境下工作，平板阀的阀体和阀盖相连的地方必须要密封完整。一定要计算出精准可靠的比压数值，并保证加工的精确度和材料品质符合相关要求。一般情况，此密封位置选用J 形圈，以确保其各部分承担的压力符合限制。J 形圈上部分是紧实的，整个承受的压力非常小，能够尽可能减缩，提升密封性。

2 增强密封性的有效方案

2.1 严格把控密封副工艺尺寸链及位置公差

增强平板闸阀的密封性，一定要把其尺寸和位置公差控制在合理范围里，符合相关的标准要求。阀体中的很多零部件之间必须留有装配间隙，比如阀座孔与闸板、阀座密封副，这样才使平板闸阀能够安装完备，以保证正常装配。其次，一定要将密封副之间的间隙控制在合理界限内，否则会出现各种问题，如闸板会因所受阻力过大而难以控制开闭，严重影响密封结构，使整个设备都不能正常工作。

2.2 提升密封副之间加工的精准程度

①阀体和阀座的结合面一定不能太粗糙或凹凸不平，超高压平板阀的闸板和阀座表面喷焊的耐蚀合金表层结构也必须是细致精密的，避免出现气孔、针眼等情况。其有效层的厚度要控制在0.5 mm 左右，合金表层同基体要合二为一，避免出现裂缝等问题；②进行喷焊工作时，应该结合两类金属的实际膨胀系数，选择恰当合适的处理方案，保证密封界面大小恰当、坚硬度适宜，且整个表层的抗腐蚀性和耐磨性都得到保障，防止出现不必要的缝隙；③之后要打磨整个密封面，选择恰当的研磨技巧、方案和工具，不能产生划痕；④研磨后进行抛光，尽可能将表层打造得光滑透亮，去除摩擦后的杂质，避免实际应用闸阀时出现泄漏问题。

2.3 科学计算阀座端面O 形圈、非金属密封压缩量和波形弹簧的预紧力

如果制作的平板闸阀需在＜70 MPa 的环境中运行，要科学恰当地计算整个闸板的厚度和密封面尺寸，熟知所使用的不同形状密封圈的变形情况。掌握好上述数据，既能够在低压环境下保持密封状态，又很容易装卸，不需要投入太多资金。如果制作的平板闸阀需在＞70 MPa 的环境中运行，则要利用波形弹簧增加预紧力。使用这种密封形式时，弹簧的性能和品质尤为关键，必须保证弹簧的弹力适中，避免因弹力太大而出现运行阻力，使零部件安装工作受阻，造成整个设备也不太容易开闭。此外，位置移动问题也要列入考虑范围，必须保证弹簧能承担其担负的工作要求。

3 分析闸阀制作技术和投入使用后的具体情况

3.1 选择密封副闸板和阀座的原材料并进行制作

闸板和阀座都使用1Cr13 材料。整个工艺流程选择3 步工艺法，即一回淬火和两次回火。特别注意的是，一定要提前将材料预热，再进行锻造工作。如果预热时出现异常情况，如1Cr13锻件毛坯加热到奥氏体化温度后出现冷退火现象，说明制作工艺出现了问题。一定要不厌其烦地进行预热工作，不断改进制作技术，确保打造出来的材料合格时再进行下一步工作。

3.2 喷焊耐蚀合金

向闸板和阀座上喷焊耐蚀合金，确保其符合相关标准规定。

3.3 2 种平板阀选用的密封结构必须不同

如1 个选择O 形圈，1 个选用波形弹簧结构。必须确保其整个尺寸链的精准精确，之后再将其放在水压和气压2 种环境内进行试验。

当平板阀在水压数值为105 MPa 的环境中工作，通过实验了解到其保压期共15 min，其曲线首段陡峭，陡峭的部分是上升期，之后的平稳阶段是保压期，最后是卸压期。分析保压曲线可知，平板阀密封性量，满足相关规范要求。当平板阀在水压为70 MPa 的环境中进行工作，通过实验了解到其保压期为10 min，说明平板阀的密封性比较好，满足相关要求。

当平板阀在气压为105 MPa 和2.2 MPa 的环境中工作，通过实验了解到其保压时间是15 min，在0～10.5 min 呈上升趋势，在10.5～25.5 min 是保压阶段，在25.5 min 之后出现了泄压情况，而30～45 min 属于低压的保压期。总体来说，其密封性也是非常不错的。当平板阀在气压为35 MPa 和2.2 MPa 的环境中工作，通过实验了解到其保压时间基本上都是15 min。

不论平板阀是在超高压环境下还是在超低压环境下进行工作，都能够达到很好的密封效果。

4 结论

与超高压采气井口平板闸阀严密性有直接关系的影响要素非常多，其中闸板和阀座的厚度、密封面的尺寸等都属于首要影响因素。为了提升超高压平板闸阀的严密性，需要重视以下3点：①提前设计和规划制作方案，明确选用的材料类型和技术方案；②确保密封副的品质，将其尺寸和位置控制在要求范围内，提升其精准度；③选择波形弹簧或O 形圈密封结构，给密封工作增添多重保障。

完全密封好高等级井口平板阀是非常困难的工作，但只要按照上述要求进行工作，严密把控每个环节，一定能不断提升其密封性，促使所有应用平板闸阀的工程项目都能够顺利进行。