海水靜壓力變化對水下球閥密封性能影響

吳望譜，周思柱，李美求，周　民

(1.長江大學 機械結構強度與振動研究所，湖北 荊州 434023；2.蘇州道森鉆采設備股份有限公司，江蘇 蘇州 215138)①

?

海水靜壓力變化對水下球閥密封性能影響

吳望譜1，周思柱1，李美求1，周民2

(1.長江大學 機械結構強度與振動研究所，湖北 荊州 434023；2.蘇州道森鉆采設備股份有限公司，江蘇 蘇州 215138)①

摘要：隨著水下油氣作業區域逐漸從淺海區轉向深海區，水下球閥所受到的海水靜壓力也逐漸增大，對其密封可靠性有了更高的要求。采用Ansys WorkBench有限元軟件，分析了海水靜壓力變化對球閥中前閥座與球體之間密封面的影響，結果表明：密封面上的密封性隨海水靜壓力的增大而更加可靠；在不同海水靜壓力下，密封面中環上環向角度在180°處密封性最好，密封面外環上環向角度在0°或360°處密封性最差；不同海水靜壓力下，密封面環向上變形均呈現內環最大、中環次之、外環最小的分布特點，且當環向角度從0°～360°時，呈現由小到大，再由大到小，最后又增大的變化過程。

關鍵詞：球閥；靜壓力；水下；密封性能

1球閥密封工作機理

水下球閥的球面密封結構為固定球體、浮動閥座式密封，球體與閥座之間采用金屬密封[3]，如圖1所示。

1—閥桿；2—壓蓋；3—隔環；4—閥蓋；5—調節圈；

閥座處的密封面為雙活塞效應式，球體前、后都安裝閥座，且前、后閥座均安裝在具有活塞效應的調節圈內，調節圈后安裝彈簧提供初始預緊力，使閥座壓緊球體[4]。

球閥關閉，前閥座受到流體介質壓力和調節圈處彈簧的彈力被推向球體，在前閥座與球體的接觸面上形成一定的密封比壓。該比壓使前閥座表面發生彈塑性變形，填塞接觸面上微觀不平處及補償球體的加工誤差以防止流體介質的滲漏，保證密封[5-6]。

前閥座密封結構如圖2所示。

圖2　前閥座密封結構

閥門關閉后，前閥座受力為

(1)

(2)

式中：F1為前閥座受壓面積上所受介質力；F2為前閥座反向受壓面積上所受介質力；p為球閥內腔介質壓力；d1為前閥座的外徑；d2為前閥座密封面的內徑；D1為前閥座的內徑。

因d1>d2，所以F1>F2

(3)

由式(3)可知，流體介質壓力可將前閥座推向球體，和調節圈處彈簧的彈力一起使前閥座壓緊球體并保持密封。

若前閥座的密封結構失效，流體介質進入球閥中腔，后閥座受流體介質壓力和彈簧的彈力被推向球體，也可保持密封[4]。

后閥座密封結構如圖3所示。

圖3　后閥座密封結構

當前閥座的密封結構失效后，流體進入中腔，后閥座受力為

(4)

(5)

式中：F3為后閥座受壓面積上所受介質力；F4為后閥座反向受壓面積上所受介質力；D2為后閥座彈簧處外徑；d5為后閥座的外徑；dm為后閥座密封面的平均直徑，d3為后閥座密封面的外徑，d4為后閥座密封面的內徑。

因dm>d5，所以F4>F3

(6)

由式(6)可知，當前閥座的密封結構失效后，流體介質壓力也可將后閥座推向球體，和調節圈處彈簧的彈力一起使后閥座壓緊球體并保持密封。

由此可見，前閥座密封結構起第1道密封作用，其密封可靠性關系到球閥能否良好防止流體介質的滲漏。尤其是在海水靜壓力逐漸增大的情況下，對前閥座密封可靠性就有了更高的要求。

2密封面數值模擬

為了提高計算速度及收斂精度，對水下球閥進行簡化，將對前閥座密封分析影響不大的零件(如閥桿、壓蓋、隔環及調節圈)及倒圓角、螺紋孔等特征省略。水下球閥簡化后各零件材料性能參數如表1所示。閥體、球體及閥蓋材料為A694 F60，閥座材料為UNS N07718。

表1　材料性能參數

2.1有限元模型

由于球閥各零件結構復雜，本文采用高階3維10節點solid187單元劃分其不規則的結構。在劃分網格時，對前閥座與球體之間的接觸面及其周圍區域的網格劃分較為細密，對其他區域的網格劃分較為稀疏，如圖4所示。

圖4　球閥有限元模型

2.2接觸對設置

前閥座與球體之間的接觸類型設置為No Separation；前閥座上密封面設置為目標面，其目標單元為targe170；球體上密封面設置為接觸面，其接觸單元為conta174。

對于前閥座與球體之間的接觸，可采用Pure Penalty公式進行接觸計算，該公式是基于罰函數方程。

Fn=kn·xp

(7)

式中：Fn為法向接觸力；kn為法向接觸剛度；xp為穿透率。

法向接觸剛度決定著穿透率的大小。法向接觸剛度越大，穿透率越小及求解精度越高，但法向接觸剛度過大，會使收斂困難，甚至會導致模型振動及接觸面彈開。因此，法向接觸剛度是影響求解精度和收斂最重要的參數。一般來說，所取的法向接觸剛度在保證穿透率小的可以接受的同時，也應該要保證求解收斂性[7]。但是在分析計算時，像這樣一個合適的法向接觸剛度是不容易確定的，不同的結構、不同的網格密度或不同的邊界條件都會有不同的合適的法向接觸剛度[8]。本文進行了一系列的計算確定合適的法向接觸剛度。

計算時，選取0.1～5.0的法向接觸剛度進行計算，得出相應的穿透率并對其進行比較，如圖5所示。

隨著法向接觸剛度的逐漸增大，穿透率在不斷的減小；曲線的拐點出現在法向接觸剛度為1時的點；當法向接觸剛度在0.1～1.0時，穿透率下降趨勢明顯；當法向接觸剛度在1.0～5.0時，曲線趨近水平，穿透率變化差別極小。隨著法向接觸剛度超過1.0后，穿透率變化幾乎不變，而收斂行為會隨之變得困難，本文取法向接觸剛度值為1.0。

圖5　法向接觸剛度與穿透率的關系

2.3邊界條件與載荷設置

根據實際工況，將前閥座上與調節圈所裝配的螺紋面的y和z方向固定并只允許前閥座沿x方向移動；球閥兩端與其它管匯以法蘭盤形式進行連接，則固定球閥兩側法蘭盤端面的x、y和z方向，防止球閥發生剛體位移。

球閥關閉后，前閥座會受到25 MPa流體介質壓力和調節圈處彈簧的3 MPa彈力，分別對前閥座相應的受力面進行加載；隨著海水深度不斷增加，球閥所受海水靜壓力的作用也逐漸變大。

2.4有限元結果分析

根據球閥的邊界條件和受載形式，分別模擬計算0、3、6、18 MPa等4種不同海水靜壓力對前閥座與球體之間密封面密封比壓和變形的影響。

2.4.1密封面密封比壓

從各不同海水靜壓力下密封面的密封比壓結果中，分別沿密封比壓最小值處徑向方向上，依次等距提取密封面內徑處到外徑處之間8個節點的密封比壓值，經數據處理后結果如圖6所示。

圖6　密封比壓最小值處徑向比壓分布

隨著海水靜壓力的增大，沿密封比壓最小值處徑向的比壓總體趨勢也逐漸增大，且均呈中間大而兩頭小的分布規律；當海水靜壓力為0時，在沿密封比壓最小處徑向的區域上，有87.5%區域面積上的密封比壓大于必須密封比壓(40.23 MPa)，可實現密封。所以，當海水靜壓力為3、6、18 MPa時，前閥座與球體之間的密封面均可實現密封，且其密封性隨海水靜壓力的增加，愈加可靠。

再從各不同海水靜壓力下密封面密封比壓結果中，分別沿密封面內環、中環及外環的順時針方向，依次提取0、45、90、135、180、225、270、315、360°等節點的密封比壓值，經數據處理后結果如圖7所示。

從圖7可知，當海水靜壓力為0、3、6、18 MPa時，密封面上密封比壓均呈現中環最大、內環較小、外環最小的分布特點；當海水靜壓力為0時，密封面中環、內環及外環上密封比壓分布較為均勻，無明顯波動；當海水靜壓力為3、6、18 MPa時，密封面環向上密封比壓分布隨著海水靜壓力的增大，其波動也愈加明顯，且當環向角度從0～180°時，密封面環向上的密封比壓有逐漸增大趨勢，當環向角度從180～360°時，密封比壓有逐漸減小的趨勢。不同海水靜壓力下，密封面環向上中環處的密封性能均是最好的，且隨海水靜壓力的增大，環向角度為180°處的密封性相比其他環向角度處的密封性更加可靠。

a　0 MPa

b　3 MPa

c　6 MPa

d　18 MPa

在不同海水靜壓力下，密封面中環上環向角度為180°處的密封比壓都是最大的，低于許用密封比壓300 MPa，此處的密封性是密封面上最好的，且該處不會因密封比壓過大而導致密封破壞；在不同海水靜壓力下，密封面外環上環向角度為0°或360°處的密封比壓最小，此處的密封性是密封面上最差的。

2.4.2密封面變形

同理，分別沿密封面內環、中環及外環的順時針方向，依次提取0、45、90、135、180、225、270、315、360°等節點的變形量，經數據處理后結果如圖8所示。

a　0 MPa

b　3 MPa

c　6 MPa

d　18 MPa

從圖8可見，不同海水靜壓力下，密封面變形分布趨勢幾乎一致，密封面上變形均呈現內環最大、中環次之、外環最小的分布特點，且當環向角度從0～360°時，其均呈現出由小到大，再由大到小，最后又增大的變化過程。

3結論

1)根據不同海水靜壓力，對前閥座與球體之間的密封面進行分析計算可知：在不同海水靜壓力下，密封面均可實現密封，且隨著海水靜壓力的增大，密封性能更加可靠。

2)通過對不同海水靜壓力下的密封面環向密封比壓分布規律的比較發現：密封面中環上環向角度為180°處的密封比壓都是最大的，均低于許用密封比壓300 MPa，可見此處的密封性是密封面上最好的，且該處不會因密封比壓過大而導致密封破壞；在不同海水靜壓力下，密封面外環上環向角度為0°或360°處的密封比壓最小，此處的密封性是密封面上最差的。

3)通過對不同海水靜壓力下密封面變形分布趨勢的比較，不同海水靜壓力下，密封面上變形均呈現內環最大、中環次之、外環最小的分布特點，且當環向角度從0～360°時，其均呈現出由小到大，再由大到小，最后又增大的變化過程。

參考文獻：

[1]李清平.我國海洋深水油氣開發面臨的挑戰[J].中國海上油氣，2006(2)：130-133.

[2]張飛，周美珍，姜瑛，等.水下管匯閥門的選型和材料要求[J].船海工程，2014(2)：135-138.

[3]祝曉丹，王國富，廉立偉，等.淺談水下球閥的選用[J].中國造船，2012(S2)：423-428.

[4]李樹勛，把橋環，賀連娟，等.天然氣長輸管線全焊接鍛造球閥的密封研究[J].潤滑與密封，2007(1)：172-174.

[5]郝劉峰，彭龑，秦立林.固定球閥密封比壓分析[J].閥門，2009(6)：27-28.

[6]石磊，李文年，李想.海底管道球閥的選型設計及應用[J].閥門，2014(4)：26-27.

[7]王新敏，李義強，許宏偉.ANSYS結構分析單元與應用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[8]曹宇光，張卿，張士華.自升式平臺齒輪齒條強度有限元分析[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2010(6)：120-124.

Influence of the Variation of Static Pressure of Seawater on the Seal Face of Subsea Ball Valve

WU Wangpu1，ZHOU Sizhu1，LI Meiqiu1，ZHOU Min2

(1.InstituteforStrengthandVibrationofMechanicalStructures，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China；2.SuzhouDousouDrilling&ProductionEquipmentCo.，Ltd.，Suzhou215138，China)

Abstract：As the operation areas of subsea oil and gas are being approached from 300m in shallow water to deep water，the static pressure of seawater on the subsea ball valve is also gradually increases，so the seal face of subsea ball valve must to be more reliable.Based on the finite element analysis software Ansys WorkBench，the influence of the variation of static pressure of seawater on the seal face between front valve seat and globe was researched.The research result shows that with the increase of static pressure of seawater，the leakproofness of the seal face is more and more reliable；under the effect of different seawater static pressure，the leakproofness of seal faces with 180°circumferential angel in the circumferential direction of middle ring is always the best，the leakproofness of seal faces with 0°(360°)circumferential angel in the circumferential direction of middle ring is always the worst；under different seawater static pressure，the deformation of seal faces in the circumferential direction show tinner ring the biggest，middle ring smaller，the outer the smallest，and when the circumferential angle turns from 0°to 360°，it will change from small to big and then big to small，and finally become big again.

Keywords：ball valve；static pressure；subsea；seal face隨著海洋油氣勘探開發技術不斷發展，油氣開采已從300 m以內的淺海區逐漸轉向深海區([1])。作為油氣田水下生產系統中重要的組成部件，水下球閥具有低阻力、高可靠性及啟閉快等優點，其性能優劣直接關系到水下油氣田的作業及生產系統的安全([2])。球閥在水下作業中，不僅承受著內部介質壓力，還受到外部海水靜壓力的作用，為了防止內部介質滲漏或海水進入球閥，球閥閥座與球體之間的接觸面起到了重要的密封作用。隨著水下油氣作業的深度不斷增加，球閥所受到的海水靜壓力也逐漸增大，對球閥的密封可靠性提出了更高的要求。本文就不同水深下的海水靜壓力對閥座與球體之間密封面的密封比壓和變形進行分析。

中圖分類號：TE952

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.003

作者簡介：吳望譜(1990-)，男，湖北潛江人，碩士研究生，主要從事石油機械結構強度與動態特性測試研究，E-mail：530914178@qq.com。

收稿日期：①2015-09-07 湖北省自然科學基金(2015CFC859)

文章編號：1001-3482(2016)03-0011-05