6A高压零泄漏气动球阀的设计制造.pdf

作者简介:陈林()男湖北武汉人工程师从事阀门研发设计和技术管理工作文章编号:()高压零泄漏气动球阀的设计制造陈 林(苏州道森阀门有限公司江苏 苏州)摘要 介绍了 高压硬密封球阀的发展现状、技术参数、结构和材料技术要求、关断球阀的总体结构设计、球体变形有限元分析、执行器选型和控制原理简述 高压硬密封球阀的关键制造过程以及 性能设计确认型式试验要求关键词 球阀高压零泄漏超级双相钢有限元分析中图分类号:文献标志码:(.):.:概述近年来随着我国东方 和渤中 等海洋高压油气项目的开发 高压硬密封球阀产品因其固有的流体阻力小、开关行程短、安装结构紧凑、双向阻断密封性好等优点得到了越来越广泛地应用其技术性能也有很大的提升和突破 本文以东方 项目 气动关断球阀国产替代进口项目为背景介绍了 高压零泄漏硬密封气动球阀的技术要求、结构设计选型、制造过程控制和性能鉴定试验要求 技术参数和技术要求 技术参数依据东方 项目的阀门数据表 整理阀门基本技术参数如下:设计标准:公称通径:/公称压力:规范等级:性能等级:材料等级:设计压力:设计温度:工作介质:高压天然气操作方式:气动执行器关闭时间:结构要求根据技术规格书关断球阀应具有 双阻断泄放功能进口端和出口端阀座能独立密封阻断来自上下游端的压力阀体中腔应设有泄放阀和排污口实现阀体中腔泄放和排污阀门应满足防火结构设计要求阀杆采用防吹出结构设计并具有防静电功能 关断阀设计和试验应按照 的要求壳体强度和阀座密封进行 高压气试验即在 高压气密封试验条件下达到零泄 年第 期阀 门漏 关断阀性能等级要求为 原型样机应按照 附录 要求进行设计确认型式试验 材料要求本项目的主体材料选用超级双相钢 超级双相不锈钢要求点腐蚀指数()高于 根据 检测双相不锈钢中的铁素体含量在 范围之内 在 低温环境下进行冲击试验冲击值单个不低于 平均不低于 双相不锈钢根据 在 温度下进行点腐蚀试验 后放大 倍失重小于 /球体和阀座的材料均为 硬密封涂层超音速喷涂碳化钨碳化钨涂层厚度不低于 根据阀体材料 体、盖螺柱螺母应选用表面喷涂 涂层满足耐海洋环境盐雾腐蚀功能 结构设计和变形分析 阀门的结构设计根据 标准和项目技术规格书要求/关断球阀总体结构如图 所示 关断阀总体采用三片式侧装螺栓连接结构主要由阀体、阀盖、球、阀座、阀杆、支撑板、压盖、法兰支架等零部件组成 球体通过上下支撑板固定采用硬密封阀座结构阀座背面选用耐高压的唇形密封圈和防火石墨圈密封 阀门体、盖密封采用唇形密封圈和防火缠绕垫双重密封阀杆密封使用唇形密封圈件和石墨防火密封 阀门和执行器连接支架采用法兰管件组焊结构支架法兰和压盖连接通过销轴定位和防转为保证阀门的高压水和高压气工况的密封性能对阀座的密封比压进行计算分析密封比压应大于必须密封比压并小于材料的许用比压 为保证执行器功能操作安全应对阀杆传动链的最大承受扭矩 进行计算和校核 阀杆的危险截面应在阀杆承压边界之外传动链的 计算需考虑阀杆及键块的剪切和挤压、阀杆和球体挤压强度传动链 不低于执行器在最高气源压力下的最大输出扭矩 阀体 阀盖 球 阀座 阀杆 支撑板 压盖 顶法兰 支架 执行器 密封圈 弹簧 螺柱 螺母 轴承 阀杆密封图 /关断阀结构总图 球体的变形分析阀门设计时应用有限元分析对球体变形进行模拟分析通过模拟分析进行优化设计减少球体在高压下大变形对密封的影响 模型建完后导入设置边界条件为固定支撑板两端面球体在关闭状态下模拟试验工况 的密封压力作用在球体密封面上 然后进行网格划分采用自适应网格类型网格单元数为 节点数为 根据分析结果球体的等效应力约为 球体总体最大变形量约为 分析结果如图 图 所示 执行器选型 关断阀是工艺流程中重要的安全设备当发生紧急情况时通过接收中控信号及时动作切断阀 门 年第 期管线介质防止事故扩大保障人员和设备安全 根据项目技术规格书和数据表要求气动执行器应为单作用拨叉式结构阀门要求快速关断关闭时间不超过 气动执行器要有现场就地操作和远程控制功能并带有 部分行程测试功能 功能由旁路电磁阀和可锁的测试开关实现操作测试开关时发送警报信号给中控系统 执行器配置附件限位开关和电磁阀均要求满足 防护等级电磁要带有手动复位功能壳体材质不低于安全完整性等级不低于 认证 关断阀的执行器控制原理如图 所示图 /球体等效应力图 /球体总体变形图 /球体等效应变 制造过程 材料控制根据项目材料规范的要求超级双相钢要进行点腐蚀试验、铁素体含量检测、低温冲击试验等 超级双相不锈钢由奥氏体相和铁素体相组成综合了铁素体钢和奥氏体钢优良的性能具有较好的耐海洋环境腐蚀性能 同时也保留了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的缺点其锻造性能差、较高的始锻温度、较低的终锻温度以及较大的一次锻造形变量都会使工件在锻造过程产生开裂必须严格控制工件的始锻温度、热处理温度和时间 箱体 气缸 弹簧缸 液压缸 限位开关 液压手泵 过滤减压阀 节流阀 电磁阀 消应器 快排阀 手动复位电磁阀 先导阀 溢流阀 开关 压力表 止回阀图 /关断球阀气动控制原理图 球体加工喷涂研磨 高压球阀中最为关键的零部件是球体设计时在适当加大球体直径的同时应选用高强度材料减少球体在高压下变形 阀门的产品规范等级为需要在公称 压力下进行高压气密封试验应严格控制球体的加工精度和研磨质量控制球体直径的尺寸公差在 圆度公差在 以下球体表面粗糙度达到 球体和阀座的表面硬化方式采用超音速喷涂碳化钨喷涂研磨后的厚度不小于 通过喷涂工艺评定和检测试验要求制定严格的喷涂工艺以控制超音速喷涂质量 球体和阀座完成喷涂后进行研磨和配磨配磨后进行无压密封试验检验配磨密封性能 阀体加工和装配超级双相不锈钢具有较高的强度和硬度比奥氏体、铁素体或马氏体不锈钢更容易加工硬化选用高性能的硬质合金刀片、充足的冷却液流量、正确的 年第 期阀 门速度和进给将有利于双相钢和超级双相不锈钢的加工 阀门体盖和阀座及阀杆主密封均采用 唇形密封圈具有优良的耐腐蚀性能和密封性能关键密封区域精加工后应进行抛光处理使表面粗糙度达到 同时应严格控制阀体、阀盖、阀座等关键零件的同轴度、圆柱度、圆跳动等形位公差 阀体、阀盖的密封区域考虑导向角和圆角过渡设计装配工装以避免密封圈装配时损坏 阀门性能测试阀门的性能等级为 阀门在完成常规壳体压力试验、高压水密封试验、高压气密封试验后样机还应按照标准进行设计确认试验 设计确认压力温度循环试验程序原理如图 所示在温度变化期间应监控压力并遵循试验程序步骤阀门 试验现场如图 所示图 压力温度循环原理图图 /阀门 试验图试验程序:()在室温和大气压力下开始升温至最高温度()施加试验压力至少保压 而后泄压()降温至最低温度()施加试验压力至少保压 而后泄压()升温至室温()在室温下施加试验压力并且在升至最高温度期间保持压力在试验压力的 ()在试验压力下至少保压 ()保持压力在试验压力的 时降低温度至最低温度()在试验压力下至少保压 ()升温至室温升温期间保持压力在试验压力的 ()泄压再升温至最高温度()施加试验压力至少保压 而后泄压()降温至最低温度()施加试验压力至少保压 而后泄压()升温至室温()施加试验压力至少保压 而后泄压()施加试验压力的 至少保压 而后泄压通过在常温、高温、低温下温度压力循环加载开关试验检验阀门在运行使用中可能出现的各种极端工况下阀门的密封性能均满足标准要求从而验证和确认阀门的设计及制造质量性能满足性能等级 要求 结语 高压零泄漏硬密封球阀的开发设计超级双相钢的锻造热处理和加工关断阀样机的型式鉴定试验及其在东方 项目的成功应用加快了国产 高压气动关断球阀替代进口高压球阀的进程为我国进一步进行深海高压油气田开发项目提供了技术储备 在当今日益激烈的国际竞争中只有不断创新追求高质量发展提高自主产品的设计制造工艺水平才能有效应对国外高压阀门产品垄断参 考 文 献 井口和采油树设备规范./石油井口装置和采油树标准.东方 项目阀门技术规范.东方 项目阀门数据.章华友.球阀设计与选用.北京:北京科学技术出版社.杨源泉.阀门设计手册.北京:机械工业出版社.(收稿日期:)阀 门 年第 期