彈簧蓄能密封球閥應用的分析

馮玉林,謝鴻璽,張建斌,靳衛華,吳磊,楊玲玲

(合肥通用機械研究院,安徽 合肥 230031)

彈簧蓄能密封球閥應用的分析

馮玉林,謝鴻璽,張建斌,靳衛華,吳磊,楊玲玲

(合肥通用機械研究院,安徽 合肥 230031)

針對管線球閥的泄漏問題,介紹了彈簧蓄能密封球閥的設計思路,詳細闡述了其主要結構特性、工作原理與設計原理.和傳統密封結構的球閥相比,彈簧蓄能密封球閥在制造上無特殊要求,在實際應用中效果很好.

蓄能;密封;球閥;結構分析

1 概述

管線球閥在輸油管道、輸氣系統上應用廣泛.如西氣東輸工程就應用了大量的管線軟密封球閥,國內有很多廠也在生產此類產品,但產品質量好壞不一.有關的壓力試驗標準中規定,軟密封閥門的密封試驗技術是無可見泄漏或泄漏率為零.在對某石油公司庫存閥門的抽樣檢查時發現,閥門在放置一段時間后,其密封性能達不到零泄漏,即使是進口的產品,也有同樣的問題.除了內漏外,現在的采購方對閥門的外漏要求也越來越嚴格,外漏問題也不能忽視.

為了解決這些問題,彈簧蓄能式密封圈技術被一些生產廠應用到了設計中.本文介紹其中一種,閥門結構采用一體式結構,裝配方便;密封性能優越,同時可以具有耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、耐磨損等優點.

2 結構及原理

2.1 結構解析

彈簧蓄能密封球閥,是在球閥的閥座密封處和閥桿密封處的設計時,分別加入一個或幾個U型彈性密封圈.U型密封圈自身有一定彈性,在安裝時會形成初始密封,在介質力作用下,U型密封圈受壓,形成向外的張力,使密封唇緊更加貼緊密封溝槽,且介質壓力越高,密封比壓越高.同時高壓力的介質,還會輔助U型彈性密封圈蓄能,使2密封面始終處于很好的接觸狀態.

彈簧蓄能密封球閥,主要包括閥體、連接體、球體、閥座、上閥桿、下閥桿、閥蓋以及驅動裝置,見圖1.

閥體為一體式結構,兩端與連接體通過螺栓固定連接,閥體腔內設有球體以及閥座,連接體上還設有法蘭端、NPT螺紋端、承插焊接端、對接焊端.

連接體與閥座、閥體,以及閥體與下閥桿,閥蓋與閥體的接合處,分別設有密封圈.密封圈材料可采用柔性石墨、不銹鋼或PTFE等.

球體與閥座之間設有彈性閥座鑲圈,閥座與連接體的接合處,分別設有彈簧以及彈簧蓄能密封圈;閥座上還設有金屬閥座壓板,閥座壓板與閥座通過螺釘固定連接,見圖2.

圖1 彈簧蓄能密封球閥

圖2 閥座處蓄能密封結構圖

上閥桿與閥體外側設有相互固定連接的閥蓋以及連接盤,閥蓋與連接盤通過銷連接,并由螺釘、螺栓固定;上閥桿與閥蓋之間,還設有防火密封圈以及填料墊;球體頂部通過上閥桿連接C型鍵,C型鍵的頂部連接驅動裝置;上閥桿與閥蓋、閥蓋與閥體、閥體與連接體之間,分別設有彈簧蓄能密封圈,見圖3.

圖3 閥桿處蓄能密封結構

上閥桿與球體的連接處設有靜電彈簧和鋼球,下閥桿與球體的連接處設有摩擦墊,上閥桿外側還設有無油潤滑軸承.球體底部固定連接有下閥桿,閥體外側面分別設有泄放閥、排污閥以及注脂閥.涉及的彈簧蓄能密封圈,材料可采用PTFE或ELGILOY.

2.2 性能優勢

相對于傳統密封結構的管線球閥,無論是石墨填料型式,還是O型圈密封形式,都有應用弊端.

(1)石墨填料閥門需要較大的壓緊力,才能保證密封處不泄漏.較大的壓緊力,會使閥門的啟閉力矩加大.但現在越來越多的采購方對閥門的開啟力矩有著嚴苛要求,所以急需一種新技術來解決這一問題.

(2)O型圈密封結構在一般情況下,能達到較好的密封效果.加工精度不夠時,O型圈在槽內受力會發生剪切風險(此情況已在檢測和使用過程中發生過);另外,非金屬材料對腐蝕介質要區分選擇,對設計人員要求較高.

美國石油協會(API)新版的系列石油石化標準中,對管線閥門的低泄漏試驗進行了強制性引入,這意味著以后制造和使用的閥門都必須達到相關標準規定的泄漏率才能使用.

基于以上分析,本結構的彈簧蓄能密封球閥具有以下優勢.

(1)機械加工成本無增加.這是企業考慮的重點,本文沒有對機械加工部分做具體分析,原因就是它跟常規閥門的制造基本無差,不需要另外采購加工設備,也不會增加企業負擔.

(2)閥門組裝時,填料部分不需要加載很大的預緊力.蓄能零件只要產生一定變形量,就能達到密封效果,而且隨著介質壓力的升高,蓄能件產生的作用會逐漸增大.因此,閥門的操作力矩會比較小,而操作機構的選取范圍會更加廣泛.

(3)蓄能件配備擋板結構.常溫工況閥門的蓄能件一般采用非金屬材料,應用擋板結構可以規避蓄能件受力不均勻而被剪切損壞的風險.

(4)設計結構不受約束.閥門同時可以做成不同結構,如防靜電、防火燒;可為軟密封,也可硬密封;可側裝分體式,也可為頂裝一體式;可為法蘭端、螺紋端、承插焊接端、對接焊端等;可用多種驅動方式;可根據實際工況及介質性質,進行可行的經濟節約.

3 結語

彈簧蓄能密封圈密封球閥是在閥門的每個泄漏點采用彈簧蓄能密封圈作為密封件,打破了常規的用橡膠O形圈作為密封件的密封原理.彈簧蓄能密封圈采用耐腐蝕、耐低溫、性能優越的材料制作,密封性能非常可靠,有效地解決了因密封件老化導致閥門泄漏的缺陷,大大提高了閥門的使用壽命.本結構的成品閥門已在國內大型石油工程中使用運行,迄今未發現密封泄漏問題,此類閥門在諸多領域的應用前景廣闊.

[1]楊源泉.閥門設計手冊 [M].北京:機械工業出版社,1992.

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

[3]賈曉紅等.彈簧蓄能密封圈密封系統的密封特性研究 [J].滑潤與密封,2015(12):116-120.

[4]于文新等. PTFE蓄能密封設計及其在氯堿化工中的應用 [J].有機氟工業,2015(3):56-60.

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