超高壓采氣井口平板閘閥密封結構技術研究

李雪野

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧盤錦 124000）

0 引言

超高壓采氣井口平板閘閥能夠在強大的壓力下保持封閉狀態，而且使用便捷，容易掌控，在各種強壓類型的工程中被廣泛使用。但是，如果井內的壓力過小，壓力值＜10 MPa 時，其平板閘閥的封閉性反而變得非常差。以API6A 作為標準，平板閘閥一定要在經過反復試驗后再投入使用。可以把平板閥放到氣壓在1.8～2.2 MPa 的情況下進行實驗，品質好的平板閘閥必須能適應高壓環境，也要能夠適應低壓環境，才能夠保持其封閉性始終良好。通常情況下，被應用到高壓井內的平板閘閥，內部零件之間的密封選用金屬密封方式。其原理是利用超高壓環境，利用中間的強壓來使平板和閥座緊緊連接。在氣壓較低的環境里，則必須進行嚴密設計，通過控制密封面上的密封比壓，來使平板閥門零部件之間產生預緊力，使閥座與閘板之間產生壓力，從而緊密地連接到一起。

經過嚴密的分析研究，選用不同種類的平板閘閥進行實際操作演練，發現密封副工藝尺寸鏈、總的位置公差和零部件的選材等，都與平板閘閥的密封性能有著非常密切的關系。密封副間的距離要符合相關規范和標準，才能確保整個加工項目的精準性，還要盡可能計算出精確的O 形圈、非金屬密封壓縮量、波形彈簧的預緊力數據。提出平板閘閥在超高壓采氣井口下也能保持密封嚴緊的辦法。

1 平板閘閥的密封結構

1.1 平板閘閥底座同閘板的密封

最普遍、最常用的平板閘閥是單閘板閥和雙閘板閥，不同的工作需要不同的閘板。為使閘板同閥座之間能夠緊密連接，一般選擇金屬對金屬壓力自緊式浮動密封方法，可以按照結構差異劃分成進口端密封和出口端密封兩類。

單閘板通常形如板磚，有孔隙，表面比較平滑整齊，閘板的密封表面經過了硬化處理和打磨拋光，硬度非常合適，適宜應用到氣壓比較高的工作環境中。其工作原理簡單，即打開閥門，其閘板上的孔隙同閥座的孔隙完整對接，再同管道結合而構成一個完善通道，介質不會因為通過閥門而受到過強阻力造成損耗。無論是選擇在進口處密封還是在出口處密封，都要確保浮動的閘板同閥座緊密連接，才能有效避免其介質內含的物質損壞閘板。如果閘板是在低壓環境下工作，可以利用密封圈或厘米彈簧的預壓力同密封面結合，產生油膜，從而達到密封效果。

雙閘板一般是擴張型的組織結構，包括主板和副板兩個板面，按照行程擋塊來確定副板的位置。在運行工作期間，主板依靠內斜面來撐開閘板，如果遇到低壓的工作環境，最好由人工操作使其密封完整；在高壓環境下工作，則需要靠其中流動的介質來密封。雙閘板有很多優勢，尤其能夠減緩密封面的磨損程度，摩擦通常發生在內斜面上，起到一定的保護作用，增強其密封性，從而增加使用年限。

雖然雙閘板有一定優勢，但就總體的性能而言，雙閘板尚顯繁雜，制作、安裝工作都比較困難，資金投入遠大于單閘板閥。因此，我國的大部分企業選擇各方面相差不大的單閘板閥，針對復雜環境、單閘板閥無法投入使用時，才會制作和安裝雙閘板閥。

1.2 密封閥桿填料處

閥桿填料處需要密封完整，一般用密封圈將兩者密封，按照具體模式有三種密封方法，包括機械式密封、半機械式密封和自封式唇形復合密封。當氣壓＞70 MPa 時，密封閥桿填料處會選擇此種密封方式。該密封方式將形狀像嘴唇的密封圈鑲嵌到密封槽內，形成O 樣式的圈體，能夠提升整個密封圈裙部的彈性，讓此部位密封性更好。在氣壓非常高的環境中，一般會將填料函設計成雙層的密封圈，此時僅依賴旋緊閥帽將整個結構密封是非常困難的，其零部件的承受力也不足。為保證整個組織不出現泄漏現象，可以在入口處涂抹密封膏或密封油脂，在閥桿上設計出倒密封結構，使密封工作得到多重保障，一旦密封環境被破壞，密封膏也會被破壞，此結構能夠防止介質泄漏。倒密封結構中的零件可以隨時替換，操作簡單快捷，能夠確保工程在安全的環境下正常運行。因為填料處的結構可以移動，只有擁有較強大的徑向力才能夠產生適合的比壓，符合密封要求。同時，密封時要在最大程度上減少摩擦和破損問題。密封問題必須引起工作人員的重視，否則會直接縮短產品的使用期限，甚至威脅工作人員的生命安全。

1.3 密封閥座與閥體間隙

通常情況下，選擇字母O 樣式的圈體或者D 形圈來進行密封工作，保證兩者接觸的任何部位都能密封完整，且有雙重保障。

1.4 密封好閥體與閥蓋連接的位置

在氣壓值非常高的環境下工作，平板閥的閥體和閥蓋相連的地方必須要密封完整。一定要計算出精準可靠的比壓數值，并保證加工的精確度和材料品質符合相關要求。一般情況，此密封位置選用J 形圈，以確保其各部分承擔的壓力符合限制。J 形圈上部分是緊實的，整個承受的壓力非常小，能夠盡可能減縮，提升密封性。

2 增強密封性的有效方案

2.1 嚴格把控密封副工藝尺寸鏈及位置公差

增強平板閘閥的密封性，一定要把其尺寸和位置公差控制在合理范圍里，符合相關的標準要求。閥體中的很多零部件之間必須留有裝配間隙，比如閥座孔與閘板、閥座密封副，這樣才使平板閘閥能夠安裝完備，以保證正常裝配。其次，一定要將密封副之間的間隙控制在合理界限內，否則會出現各種問題，如閘板會因所受阻力過大而難以控制開閉，嚴重影響密封結構，使整個設備都不能正常工作。

2.2 提升密封副之間加工的精準程度

①閥體和閥座的結合面一定不能太粗糙或凹凸不平，超高壓平板閥的閘板和閥座表面噴焊的耐蝕合金表層結構也必須是細致精密的，避免出現氣孔、針眼等情況。其有效層的厚度要控制在0.5 mm 左右，合金表層同基體要合二為一，避免出現裂縫等問題；②進行噴焊工作時，應該結合兩類金屬的實際膨脹系數，選擇恰當合適的處理方案，保證密封界面大小恰當、堅硬度適宜，且整個表層的抗腐蝕性和耐磨性都得到保障，防止出現不必要的縫隙；③之后要打磨整個密封面，選擇恰當的研磨技巧、方案和工具，不能產生劃痕；④研磨后進行拋光，盡可能將表層打造得光滑透亮，去除摩擦后的雜質，避免實際應用閘閥時出現泄漏問題。

2.3 科學計算閥座端面O 形圈、非金屬密封壓縮量和波形彈簧的預緊力

如果制作的平板閘閥需在＜70 MPa 的環境中運行，要科學恰當地計算整個閘板的厚度和密封面尺寸，熟知所使用的不同形狀密封圈的變形情況。掌握好上述數據，既能夠在低壓環境下保持密封狀態，又很容易裝卸，不需要投入太多資金。如果制作的平板閘閥需在＞70 MPa 的環境中運行，則要利用波形彈簧增加預緊力。使用這種密封形式時，彈簧的性能和品質尤為關鍵，必須保證彈簧的彈力適中，避免因彈力太大而出現運行阻力，使零部件安裝工作受阻，造成整個設備也不太容易開閉。此外，位置移動問題也要列入考慮范圍，必須保證彈簧能承擔其擔負的工作要求。

3 分析閘閥制作技術和投入使用后的具體情況

3.1 選擇密封副閘板和閥座的原材料并進行制作

閘板和閥座都使用1Cr13 材料。整個工藝流程選擇3 步工藝法，即一回淬火和兩次回火。特別注意的是，一定要提前將材料預熱，再進行鍛造工作。如果預熱時出現異常情況，如1Cr13鍛件毛坯加熱到奧氏體化溫度后出現冷退火現象，說明制作工藝出現了問題。一定要不厭其煩地進行預熱工作，不斷改進制作技術，確保打造出來的材料合格時再進行下一步工作。

3.2 噴焊耐蝕合金

向閘板和閥座上噴焊耐蝕合金，確保其符合相關標準規定。

3.3 2 種平板閥選用的密封結構必須不同

如1 個選擇O 形圈，1 個選用波形彈簧結構。必須確保其整個尺寸鏈的精準精確，之后再將其放在水壓和氣壓2 種環境內進行試驗。

當平板閥在水壓數值為105 MPa 的環境中工作，通過實驗了解到其保壓期共15 min，其曲線首段陡峭，陡峭的部分是上升期，之后的平穩階段是保壓期，最后是卸壓期。分析保壓曲線可知，平板閥密封性量，滿足相關規范要求。當平板閥在水壓為70 MPa 的環境中進行工作，通過實驗了解到其保壓期為10 min，說明平板閥的密封性比較好，滿足相關要求。

當平板閥在氣壓為105 MPa 和2.2 MPa 的環境中工作，通過實驗了解到其保壓時間是15 min，在0～10.5 min 呈上升趨勢，在10.5～25.5 min 是保壓階段，在25.5 min 之后出現了泄壓情況，而30～45 min 屬于低壓的保壓期。總體來說，其密封性也是非常不錯的。當平板閥在氣壓為35 MPa 和2.2 MPa 的環境中工作，通過實驗了解到其保壓時間基本上都是15 min。

不論平板閥是在超高壓環境下還是在超低壓環境下進行工作，都能夠達到很好的密封效果。

4 結論

與超高壓采氣井口平板閘閥嚴密性有直接關系的影響要素非常多，其中閘板和閥座的厚度、密封面的尺寸等都屬于首要影響因素。為了提升超高壓平板閘閥的嚴密性，需要重視以下3點：①提前設計和規劃制作方案，明確選用的材料類型和技術方案；②確保密封副的品質，將其尺寸和位置控制在要求范圍內，提升其精準度；③選擇波形彈簧或O 形圈密封結構，給密封工作增添多重保障。

完全密封好高等級井口平板閥是非常困難的工作，但只要按照上述要求進行工作，嚴密把控每個環節，一定能不斷提升其密封性，促使所有應用平板閘閥的工程項目都能夠順利進行。