四通換向旋塞閥的研制

張 梅，馮玉龍，楊振寧

（西安航天遠(yuǎn)征流體控制股份有限公司，西安 710100）

0 引言

四通換向旋塞閥是流量計量系統(tǒng)的重要裝備之一，可用于油品等介質(zhì)流向的切換，或與體積管配合使用于計量橇裝系統(tǒng)，計量橇裝系統(tǒng)以其高精度、高穩(wěn)定性的特點廣泛應(yīng)用于石油天然氣行業(yè)［1］，其安全可靠的運(yùn)行是保證油品計量和化工生產(chǎn)的重要條件。目前國外關(guān)于四通旋塞閥的研究和應(yīng)用已較為成熟，也擁有較為成熟的產(chǎn)品。在國內(nèi)油品計量場合中，絕大多數(shù)四通換向旋塞閥依賴進(jìn)口產(chǎn)品，然而國外相關(guān)產(chǎn)品價格高、訂貨周期長、維修及零部件更換困難。從我國石化行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展來看，有必要對四通換向旋塞閥開展相關(guān)研制工作，降低對國外產(chǎn)品的依賴程度。

本文中研制的四通換向旋塞閥是用于油品流量計量系統(tǒng)的閥門，除滿足常規(guī)閥門的零泄漏、動作順暢、在線檢漏等功能外，還應(yīng)滿足客戶對于通流能力的要求。本文中結(jié)合相關(guān)項目要求及閥門現(xiàn)場使用情況，按照相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，完成了一種典型規(guī)格的四通換向旋塞閥設(shè)計、生產(chǎn)和試驗過程，為四通換向旋塞閥的國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)系列化及產(chǎn)業(yè)化提供條件。

1 技術(shù)指標(biāo)

為滿足加工工藝及操作和使用要求，同時滿足用戶需求，四通換向旋塞閥的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）公稱尺寸、公稱壓力和安裝尺寸滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通徑：NPS4（DN100），壓力等級：class300（PN50）；

（2）通流能力：Kv≥300；

（3）閥體最小壁厚、最小流道直徑符合 API 6D 的要求；

（4）密封性能：滿足ISO 5208/GB/T13972，A 級；

（5）耐火性能：滿足ISO 10497－5 要求。

2 方案設(shè)計

2.1 技術(shù)難點

（1）傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用雙層螺紋傳動結(jié)構(gòu)滿足閥門動作要求；

（2）通流能力設(shè)計及驗證：結(jié)合CFD 模擬及試驗手段，獲得滿足用戶需求的流道設(shè)計；

（3）密封結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝研究：通過將特殊結(jié)構(gòu)的密封膠圈硫化在滑片上實現(xiàn)閥門零泄漏，并設(shè)計專用模具實現(xiàn)密封膠圈的成型。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文中研制的四通換向旋塞閥主要由3 部分構(gòu)成，包括主閥、操作器及泄放裝置，如圖1 所示，配有多回轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于完成閥門動作，也可采用手動操作。閥門與管道采用法蘭連接。

圖1 四通換向旋塞閥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of four-way diverter valve

四通換向旋塞閥在一次換向過程中的動作可分為3 步：提升、旋轉(zhuǎn)和下壓。

首先轉(zhuǎn)動手輪或啟動電動執(zhí)行器，通過操作器使與之相連的楔形旋塞提升，旋塞與滑片之間采用燕尾槽連接，通過燕尾槽的作用可以使帶有密封膠條的滑片縮回，與閥體脫離開，然后在密封膠條與閥體完全不接觸的情況下轉(zhuǎn)動90°，使滑片兩側(cè)通道口與閥體上的流道出入口沿周向?qū)R，最后下壓旋塞，完全對齊流道口，此時滑片上密封膠條與閥體貼緊，完全隔斷閥門2 個流道與中腔，保證流體流經(jīng)閥門時不會泄漏至閥門中腔。此動作即可完成閥門由工作狀態(tài)1 切換至工作狀態(tài)2。當(dāng)閥門由工作狀態(tài)2 切換回工作狀態(tài)1 時，操作器先提升旋塞，使滑片與閥體脫離，再逆向轉(zhuǎn)動90°，最后下壓旋塞，從而完成工作狀態(tài)2 至工作狀態(tài)1 的切換。由于操作器的自鎖作用，旋塞壓緊后流體作用在密封滑片上的力不會使旋塞移動，屬于強(qiáng)制密封結(jié)構(gòu)，保證密封可靠［2］。

2.3 主閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

主閥主要由閥體、旋塞、兩幅滑片（嵌橡膠密封圈）、上端蓋、下端蓋、石墨填料、O 形橡膠密封圈等零件組成，如圖3 所示。

圖3 四通換向旋塞閥主閥結(jié)構(gòu)Fig.3 Main valve structure of four-way diverter valve

旋塞為楔形結(jié)構(gòu)，中間有一窗口結(jié)構(gòu)可作為流體通道，旋塞兩側(cè)設(shè)有燕尾形凸臺，可連接旋塞與2 副滑片。滑片上設(shè)有密封膠條，采用氟橡膠材料直接硫化在滑片上對應(yīng)的凹槽內(nèi)，形成凸起的密封圈結(jié)構(gòu)。使用時密封圈受壓縮變形，從而保證流體不會在流經(jīng)閥門時泄漏至閥門中腔，通過此種主動式密封結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了閥門的氣泡級密封。上、下端蓋上均安裝有滑動DUB 軸套，用于支承旋塞運(yùn)動，DUB 軸套的承載能力高，摩擦力小，使用壽命長，適合用于長期運(yùn)行的閥門中。

滑片密封膠圈分布在滑片外側(cè)的圓柱面上，如圖4 所示，與閥體內(nèi)腔的圓柱面配合，實現(xiàn)密封功能。為使滑片密封面與閥體能夠順利脫開，保證旋轉(zhuǎn)過程中不損傷橡膠密封面，在滑片另一側(cè)截面設(shè)計有與旋塞燕尾凸臺相匹配的燕尾凹槽結(jié)構(gòu)，在滑片和旋塞側(cè)面分別采用7.5°的傾角，通過合理的行程設(shè)計，保證在上提過程中滑片沿徑向縮回足夠的距離，密封膠圈完全脫開閥體內(nèi)腔，實現(xiàn)無摩擦啟閉閥門，此種設(shè)計一方面可減小閥門動作時的摩擦力，另一方面也可延長橡膠密封膠圈的使用壽命。

圖4 滑片結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of slip

旋塞中部挖空，作為流體流道的一部分。旋塞中部流道形狀的設(shè)計首先應(yīng)滿足滑片的強(qiáng)度、剛度要求［3］，其次還需滿足通流能力要求，合理的流道設(shè)計可實現(xiàn)滑片機(jī)械性能及閥門通流能力的最優(yōu)化。為保證閥門Kv值達(dá)到設(shè)計要求，對流道形狀進(jìn)行多次設(shè)計，結(jié)合CFD 流場模擬計算結(jié)果修改流道結(jié)構(gòu)，最終獲得了符合設(shè)計要求的流道結(jié)構(gòu)［4-8］。

考慮到在實際使用過程中，油品介質(zhì)里可能包含多種雜質(zhì)，在閥門底部設(shè)計了排污結(jié)構(gòu)，加裝一個上表面為斜面的排污墊板，在最低處設(shè)置截止球閥，使污油、雜質(zhì)等污物沿墊板斜面匯集到閥門最底端，然后由排污球閥排出閥門。四通換向旋塞閥在設(shè)計時也考慮了耐火安全性，密封滑片的金屬基體與閥體內(nèi)腔在關(guān)閉狀態(tài)下可完全貼合，形成金屬硬密封，保證在失火狀態(tài)下密封膠圈失效時，閥門仍可保持較好的密封性。閥桿、端蓋與閥體間除橡膠O 形圈密封外還設(shè)置了一道石墨填料或石墨墊圈密封，可滿足耐火密封要求［9］。

2.4 操作器結(jié)構(gòu)設(shè)計

四通換向旋塞閥的操作器主要功能是將執(zhí)行器的多回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為閥門動作所需的提升、旋轉(zhuǎn)和下壓動作，由操作器殼體、滾子、導(dǎo)向銷、雙層梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)及蝸輪、蝸桿傳動機(jī)構(gòu)等組成。為實現(xiàn)閥門功能，操作器采用雙層梯形螺紋傳動結(jié)構(gòu)，配合滾子、導(dǎo)向銷等零部件，實現(xiàn)閥門動作的控制和轉(zhuǎn)換，如圖5 所示。

圖5 四通換向旋塞閥操作器結(jié)構(gòu)Fig.5 Operator structure of four-way diverter valve

當(dāng)執(zhí)行器輸出多回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，帶動操作器頂端的蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸輪將多回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給操作器內(nèi)的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)。該操作器設(shè)計有2組梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)，旋向相反，用于控制閥門的提升或下壓。

2 組梯形螺紋分布在上閥桿與中閥桿、中閥桿與下閥桿之間，閥桿上設(shè)置有滾子槽，通過滾子在不同滾子槽內(nèi)的位置變化，來控制上、中閥桿一起動作或中、下閥桿一起動作，操作器殼體內(nèi)設(shè)計有一半圓柱形長槽，與滾子外徑相匹配，當(dāng)滾子運(yùn)動到該長槽里時，可限制滾子和與其相連的閥桿只能做軸向運(yùn)動。同時，操作器殼體上裝有一導(dǎo)向銷，在中閥桿外側(cè)設(shè)計有一“U”形槽，導(dǎo)向銷伸入“U”形槽內(nèi)，對操作器的提升、旋轉(zhuǎn)和下壓動作起到輔助限位的作用。

圖6 示出了操作器在不同狀態(tài)時導(dǎo)向銷與“U”形槽的相對位置關(guān)系，與圖7，8 中上、中、下閥桿之間的相對位置關(guān)系相對應(yīng)，最外圈為帶滾子槽的操作器殼體。轉(zhuǎn)動上閥桿，從（a）位置到（d）位置，閥門完成一次換向動作。

圖6 閥門關(guān)閉時操作器動作過程Fig.6 The action process of operator when the valve is closed

圖7 上、中閥桿與滾子1、操作器殼體的相對位置關(guān)系Fig.7 Relative position between middle stem and roller 1 and the operator casing

圖8 中、下閥桿與滾子2、操作器殼體之間的相對位置關(guān)系Fig.8 Relative position between middle， lower stem and roller 2 and operator casing

2.5 壓力泄放裝置

在實際使用場合中，由于溫度、壓力的變化，若閥門長期不動作，在閥門中部的密封腔內(nèi)，可能會與管路產(chǎn)生一定的壓力差，造成安全隱患，因此有必要為閥門設(shè)置中腔泄壓裝置。在該閥門中，設(shè)置有壓力表用于檢測中腔壓力，當(dāng)中腔壓力異常時，可打開手動泄放閥門，使壓力沿管路泄放到閥門出、入口側(cè)或大氣環(huán)境中，此處也可安裝單向閥，則變?yōu)樽詣有狗艡C(jī)制，多種泄放方案可滿足不同用戶、不同使用工況的多種需求。該壓力表也可以用來監(jiān)測閥門泄漏情況，閥門在正常工作、無泄漏的情況下，其中腔壓力不應(yīng)發(fā)生變化，若監(jiān)測到中腔壓力存在波動，則閥門可能發(fā)生泄漏。

3 滑片壓膠工藝研究

與常規(guī)旋塞閥不同，四通換向旋塞閥的滑片側(cè)面設(shè)計有流道，用于連接相鄰兩個閥門出入口，并切斷閥門中腔與閥門出入口的流體介質(zhì)，因此滑片上的密封面包括了兩段接近180°的圓弧，這一圓弧段為橡膠密封圈的成型、脫模帶來了一定的難度。

常規(guī)旋塞閥壓膠模具由上模和下模兩部分組成，下模用于固定滑片，上模與滑片上的密封膠槽匹配，并決定了密封膠圈的型面。但對于四通換向旋塞閥來說，若仍采用上、下模具的方案進(jìn)行密封膠圈成型，由于密封膠圈弧度太大，滑片較厚，脫模時會造成密封膠圈受力不均，膠圈型面無法保證，甚至發(fā)生局部膠圈撕裂等現(xiàn)象。

為此，作者設(shè)計了分體式密封膠圈成型模具，將上模分為兩部分，有效避免了滑片密封面圓弧中部密封膠圈容易發(fā)生撕裂等現(xiàn)象，同時，為了保證起模順利，在模具上布置有圓柱銷孔，模具四周均布置有鋼板，用于固定兩塊上模的相對位置，鋼板上對應(yīng)位置設(shè)置有腰形孔，起模時將圓柱銷插入模具上的圓柱銷孔內(nèi)，通過鋼板上的腰形孔對2 塊模具的運(yùn)動進(jìn)行限位。起模時先拆開兩側(cè)面的固定鋼板，將2 塊上模向兩側(cè)分開，再上提模具，從而保證起模過程中模具不會下榻，造成膠圈型面高度偏差大，影響密封效果。現(xiàn)場壓膠結(jié)果表明，采用該模具進(jìn)行密封膠圈成型，可保證膠圈型面高度誤差控制在合理范圍內(nèi)。

圖9 膠圈成型模具示意Fig.9 Schematic diagram of extrusion die

4 流通能力試驗

4.1 試驗系統(tǒng)

為滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及用戶使用需求，對四通旋塞閥產(chǎn)品進(jìn)行了各項試驗，包括液壓殼體試驗、氣壓密封試驗、動作靈活性試驗等［10］，各項指標(biāo)均滿足需求。除此之外，流通能力也是考核四通旋塞閥的重要性能指標(biāo)。為此，按照GB/T 17213.9搭建了試驗系統(tǒng)，用于四通旋塞閥流量系數(shù)的測定。試驗系統(tǒng)如圖10 所示，在四通旋塞閥入口前布置溫度測量裝置、流量測量裝置，流量測量裝置選用符合規(guī)定精度的裝置，并在使用前進(jìn)行校準(zhǔn)。試驗管路與圖2 中閥門B，D 口相連，A，C 口之間用波紋軟管相連，形成閉合的流道。

圖2 四通換向旋塞閥工作狀態(tài)Fig.2 Working state of four-way diverter valve

圖10 試驗系統(tǒng)Fig.10 Test system

4.2 流量特性試驗

四通旋塞閥擁有2 種工作狀態(tài)，四通旋塞閥的流量特性也應(yīng)分別在兩種工作狀態(tài)下測定。閥門的流量系數(shù)是反應(yīng)其流阻特性的重要參數(shù)，按照GB/T 17213.9［11］，其計算方法如下：

當(dāng)N1取值為0.1 時，計算所得的流量系數(shù)C即為Kv。

為了保證試驗測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在試驗時選取了不同的壓差、流量點對四通旋塞閥的Kv值進(jìn)行測定。為了獲得閥門的壓力損失即值Δp，首先讀取上、下游取壓口之間的壓差Δp1，然后去掉試驗系統(tǒng)中的閥門，用波紋管的兩端口與試驗系統(tǒng)上、下游接口相連，獲得同樣流量條件下除閥門外試驗系統(tǒng)上、下游取壓口的壓差Δp2，兩次獲得的壓差相減，則可以獲得流體流經(jīng)閥門的壓力損失，即式（1）中的Δp 值。然后讀取試驗系統(tǒng)的流量值，則可以獲得閥門的流量系數(shù)。

試驗分別選取了流量從17.9～199.4 m3/h 的10個不同流量點進(jìn)行了測定，獲得的試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 流量試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Measured data table of flow test

根據(jù)表1 可知，不同流量下閥門Kv值測定具有一定的偏差，但其偏差保持在可接受的范圍內(nèi)。由于本試驗系統(tǒng)中采用了波紋管，且含有彎管段，均會造成較大的流動損失，當(dāng)試驗系統(tǒng)流量較小時，流體流經(jīng)閥門和管路的邊界層損失所占比重增加，測得Δp 的值偏大，導(dǎo)致試驗獲得的閥門流阻系數(shù)偏小，這與本次試驗數(shù)據(jù)相符合。對試驗結(jié)果取平均值，可得四通旋塞閥的Kv約值為334.8，滿足用戶使用需求。

5 結(jié)語

本次研制的四通換向旋塞閥滿足了密封性、耐火性、換向動作要求、流通特性等多方面要求。通過產(chǎn)品的試制，也充分驗證了四通換向旋塞閥工藝上的可實現(xiàn)性。充分掌握了該閥門在啟閉動作、流量特性、密封性能及壓膠工藝等方面的技術(shù)難點。經(jīng)過密封試驗、流量試驗等試驗驗證，表明研制的四通換向旋塞閥產(chǎn)品性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，滿足客戶需求，達(dá)到國際同類閥門產(chǎn)品的水平。該產(chǎn)品現(xiàn)已交付用于原油計量橇裝系統(tǒng)，直接替代進(jìn)口同類閥門，擁有廣闊的市場前景。