超高壓平板閘閥的雙閥座密封分析

魏軍會 張 川 景宏濤 王 偉 涂志雄 鄒 燕

（1.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆 巴州 841000；2.四川寶石機械鉆采設備有限責任公司，四川 德陽 618000）

0 引言

在天然氣開采的過程中，采氣樹在井口采氣設備中至關重要，采氣樹是控制井口天然氣的流通與截斷的關鍵設備,而平板閘閥更是采氣樹的核心部件。現如今，石油工業的不斷發展對井口裝置尤其是閥門的可靠性和控制性提出了更高的要求。對于單閘板的平板閘閥[1]，其結構已經由單閥座密封逐步發展為雙閥座密封。所謂雙閥座密封，就是指閥門關閉時平板閘閥的前后2個閥座同時實現密封。當介質壓力進入時，內閥座與外閥座發生微小的分離，內閥座緊貼在閘板上，而外閥座緊貼在閥體上。內外閥座間由密封圈進行密封，這種密封保證閘板閥不會發生內漏的情況。這種結構不僅能夠提高平板閘閥的密封可靠性，而且由于在安裝時不用嚴格區分進口端與出口端，因此安裝十分方便。“O”形密封圈是平板閘閥中最常見的密封件。

閥座的密封一般都是通過“O”形密封圈來實現，因此如何選擇合適的密封圈也就成了制造雙閥座平板閘閥的關鍵問題之一。

1 密封原理分析

閘板從全開到全關的過程中，雙閥座平板閘閥的閥座密封結構示意圖如圖1所示，此時的氣體處于高壓狀態，相當于閥腔帶高壓。由于1~6號密封圈前后的壓力都為高壓狀態，因此，此時所有密封未起到密封的作用。當閘板繼續向下移動，閘板全關前的一瞬間，閘閥內部壓力分布如圖2所示（圖中具體壓力值根據實際情況會有所不同），入口端壓力最高（高壓區），閥腔壓力次之（次高壓區），出口端壓力最低（低壓區）。

圖2 閘閥在全關前一瞬間內部壓力云圖

全關狀態如圖3所示，這時候高壓氣體會向各零件結合處的空隙中流動，圖中白色小箭頭代表高壓氣體的流動方向。

圖3 閥座密封全關狀態橫截面示意圖

當閘板全關時，入口端保持有高壓氣體，而出口端變成了低壓。此時嵌套在外閥座內的內閥座一面與閘板緊靠在一起，而另一面在2號（或5號）密封圈的彈力之下不會與外閥座緊密貼合，而是產生一定大小的縫隙，這個縫隙的大小取決于密封圈的彈性與閘板對內閥座的擠壓力。圖4為2號密封圈周圍的局部放大圖，被擠壓后的“O”形密封圈的橫截面逐漸呈現出矩形的輪廓，密封圈的彈力又迫使內外閥座之間形成縫隙。

圖4 內閥座密封圈及周圍的局部放大圖

當有壓差存在時，閘板在壓差的作用下會向右靠攏，并緊緊地壓在出口內閥座上，在表面足夠光滑時，閘板與出口內閥座便能夠在壓差的作用下形成密封狀態，實現出口內閥座與閘板之間的金屬密封。在閘板提供的壓力下，4、5號密封圈能夠實現出口內閥座與出口外閥座之間的氣流通路的密封；出口外閥座與閥體之間的氣流通路則由6號密封圈密封。

由于閥腔在關閉瞬間會帶次高壓，因此在入口和閥腔之間也存在壓差。這時候1號密封圈將密封住閥體與入口外閥座之間的氣流通路，2、3號密封圈密封住入口內閥座與出口外閥座之間的氣流通路。與此同時，入口處的高壓氣體會進入內閥座與外閥座的空隙中。空隙中的高壓氣體會推動內閥座移動，從而將入口內閥座緊緊地壓到閘板上，實現入口內閥座與閘板之間密封。

雙閥座密封的關鍵是“O”形圈及各種墊片與內外閥座的緊密配合。“O”形密封圈所產生的預緊力[2]使2內閥座緊貼在閘板上，并且在入口外閥座與入口內閥座的接觸面上產生一定的縫隙，這樣高壓氣體進入縫隙后就能將入口內閥座緊緊壓在閘板上。

2 “O”形密封圈密封性能分析

2.1 參數設定

“O”形密封圈的密封性能很大程度上取決于其材料[3]，本文選用了擁有諸多優異性能如耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的聚四氟乙烯作為密封圈的材料。如果在“O”形密封圈的材料和尺寸確定后，直接將其制造出來進行壓力試驗的話，則研究時間過長，并且研發成本過高。如果事先對密封圈進行有限元仿真分析，則可以節省時間，節省原材料并降低研發成本。

“O”形圈尺寸的選擇直接關系到“O”形圈的密封性能。該文針對不同線徑的“O”形密封圈進行了有限元仿真，密封圈線徑與其對應的壓縮率 如表 1 所示[4]。

表1 密封圈線徑與其對應的壓縮率

將“O”形密封圈看作超彈性近似不可壓縮體，其應變能函數廣泛使用基于Mooney-Rivlin[5]的本構模型來描述，數學形式如下。

式中：W表示應變能密度函數，I1，I2分別表示彈性體在長度和表面積上的變化，C10和C01為硅橡膠密封圈的材料常數，調研文獻可知本文選用的硅橡膠密封圈的常數為C10取1.87MPa，C01取0.47MPa。

2.2 仿真結果分析

ABAQUS軟件中的Mises應力即為馮·米塞斯應力，又稱等效應力，反應了材料內部的應力分布情況，其表達式如下。

式中：σm表示等效應力，σ1、σ2、σ3分別表示第一、二、三主應力。

在密封圈裝好后的應力主要集中在兩側，呈“啞鈴”狀分布[6]。不同線徑“O”形密封圈的Mises應力隨著線徑的增大，應力往兩邊集中的趨勢越明顯。為了探究線徑對“O”形密封圈密封效果的具體影響。

圖5為“O”形密封圈安裝后與密封面的最大接觸應力[7]隨密封圈線徑變化的曲線圖。圖中最大接觸應力隨著密封圈線徑的增加而增加。最大接觸應力在密封圈線徑到達3.7mm之前增加得相對緩慢，之后便會迅速增加。

圖5 最大接觸應力隨密封圈線徑變化的曲線圖

圖6為“O”形密封圈裝好后其密封面等效接觸面積與密封圈線徑的曲線圖，這里的等效接觸面積[8]用密封圈的密封面寬度來表示。密封面寬度隨密封圈線徑的增加而增加，且在密封圈線徑到達3.65mm后開始迅速上升。密封面寬度越大則密封效果越好。

圖6 密封面寬度與密封圈線徑的曲線圖

非金屬與金屬間通過擠壓非金屬使其發生彈性變形，填充和封閉間隙從而實現密封。密封圈的線徑越大，其在預緊力下產生的變形越大，也更能充分填充和封閉間隙。從上述結果可以看出，只考慮密封性能以及預緊力要求時，“O”形密封圈的線徑當然是越大越好。但是考慮到“O”形密封圈的使用壽命，則密封圈的壓縮率不宜超過20%。因此在推薦的密封圈壓縮率范圍內選擇的密封圈線徑為3.75mm。

3 結論

該文闡述了雙閥座密封方式的密封原理，討論了密封圈預緊力對密封效果的影響，并根據其原理進行了針對密封原理的仿真分析，針對“O”形密封圈線徑這一尺寸進行仿真分析，得到不同線徑“O”形密封圈的Mises應力變化規律：其最大接觸應力隨著密封圈線徑的增加而增加。最大接觸應力在密封圈線徑到達3.7mm之前增加得相對緩慢，之后便會迅速增加。并通過密封面等效接觸面積與密封圈線徑的關系分析得出了閥座“O”形密封圈線徑為3.75mm的尺寸工況下的密封性能最好。