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    泵閥學院

    一種防砂閘板閥設計與研究
    2018-12-20 07:25 中國泵閥制造網 作者:佚名 點擊:2795
    【中國泵閥制造網 行業論文】目前使用的閘板閥設計原理主要是閥前密封,但是閥前密封存在著許多缺點,且密封效果不穩定,易發生密封失效,使砂礫進入到閥體中腔,增大了閥門維護頻率,嚴重影響閥門的使用壽命。針對這種情況,設計了一種雙閥座的防砂閘板閥結構,閥座由內閥座和外閥座組成,內閥座嵌設于外閥座內部,通過室內靜水壓試驗和工業試驗,較好地證明了雙閥座結構的可靠性,具有很高的工業應用價值。

    中石化石油機械公司 (湖北武漢 430040) 李 俊

    中石化石油機械公司第四機械廠 (湖北荊州 434024) 張思勤

    【摘 要】防砂閘板閥廣泛應用于油井設備的壓裂井口和含砂量較大的高壓管匯中,目前使用的閘板閥設計原理主要是閥前密封,但是閥前密封存在著許多缺點,且密封效果不穩定,易發生密封失效,使砂礫進入到閥體中腔,增大了閥門維護頻率,嚴重影響閥門的使用壽命。針對這種情況,設計了一種雙閥座的防砂閘板閥結構,閥座由內閥座和外閥座組成,內閥座嵌設于外閥座內部,通過室內靜水壓試驗和工業試驗,較好地證明了雙閥座結構的可靠性,具有很高的工業應用價值。

    【關鍵詞】 平板閘閥 閥座 密封結構 防砂

    一、前言

    閘板閥是最常用的截斷閥之一,主要用來接通或截斷管路中的介質,不運用于調節介質流量。防砂閘板閥是一種閘板沿介質通道中心線的垂線方向運動的閥門,起著開啟或截斷管道介質并控制高壓介質按照需要流動的作用。平行閘板閥的兩個密封面平行,閥座密封面垂直于管道中心和介質流動方向,具有高壓密封性好、流體阻力小、開啟和閉合力矩小等優點。防砂閘板閥在石油、化工、煤礦和電力等領域已被廣泛應用。閥座是防砂閘板閥最重要的零件,閥座設于閥體內部,工作過程中承受著高壓流體、閥門啟閉載荷、以及振動和摩擦等因素所產生的載荷,閥座結構的設計對防砂閘板閥的性能有著重要的影響,因此,很有必要對防砂閘板閥的閥座結構進行深入系統的研究。

    二、防砂閘板閥閥座結構設計

    傳統的防砂閘板閥閥座均采用單閥座結構,其結構特點是:閘板閥閥板兩邊各布置一個閥座,兩閥座對稱布置,如圖1所示,閥座與閥體之間設有密封結構,密封結構主要采用U形密封圈組件和波形彈簧(或C形彈簧)相結合的方式,U形密封圈組件的開口面向閥座,保證下游密封;波形彈簧主要是確保閥座和閥板在低壓狀態下緊密接觸。另外,有的密封結構在閘板兩邊各配置1個閥板擋板,目的是阻止油氣中的固體顆粒進入金屬密封面和閥腔內。單閥座的工作原理是閥后密封,針對單閥座結構的缺陷,本文設計了一種雙閥座結構,如圖2所示。雙閥座結構由前閥座和后閥座組成,后閥座鑲于閥體內部,后閥座于閥體之間設有密封結構,此密封結構主要是保證閥體流道(上游和下游)和閥腔內的油氣介質不會在后閥座與閥體端面處的間隙中流通。后閥座與前閥座圓周面上設有一 個固定環,固定環主要作用是安裝限位。前閥座端面與后閥座內槽端面間安裝有O形密封圈,不允許油氣介質從閥體流道(上游和下游)進入閥腔內。另外,該密封結構獨特之處是在前閥座和后閥座接觸面上設計了臺階,主要目的是防止油氣介質中的固體顆粒進入閥腔內。

    閘閥 閥門 閥座 彈簧 閥體 密封圈

    圖1 單閥座閘板閥

    閘閥 閥門 閥座 彈簧 閥體 密封圈

    圖2 雙閥座結構示意圖

    1、5.后閥座 2、4.前閥座 3.閘板

    三、工作原理

    閥腔進砂是導致閘板閥關閉失效的主要因素,主要發生在閘板閥關閉狀態時,砂粒由閘板和閥座之間的間隙進入閥腔,并堆積在閥腔底部,再次關閉時,閥板不能完全到達底部,造成閥板孔不能對準閥座孔,留有小縫隙,在高壓高速高沖蝕性流體通過時,形成孔徑節流效應,勢必會造成閥座和閥板的快速沖蝕磨損。

    傳統的單閥座結構在閥關閉過程中采用閥后密封,這樣油氣介質中砂礫會通過上游閥座與閥板之間空隙進入閥體內。為了解決閥后密封的缺陷,本文設計的這種雙閥座結構,內閥座的內側密封面與防砂板的內側表面之間形成臺階,當介質壓力從進口端進入外閥座和內閥座之間后,將外閥座和內閥座撐開,使外閥座趨向于壓緊閥體,內閥座趨向于壓緊閘板,且進入外閥座和內閥座之間的介質壓力使閥前密封比壓大于必需比壓,使介質不能進入中腔,從而有效地實現閥前密封。

    閥處于工作狀態時,閥板孔與閥座、閥體同心,流體導通,油氣介質可以直接由閥體流道上游端進入下游,如圖3所示。當閥處于關閉狀態,閥板向下運動,閥板閥道,隔斷流體介質,閥板向右浮動內閥座和外閥座在閥板的擠壓下,閥板、內閥座、外閥座和閥體完成密封,同時內閥座和外閥座在上游油氣介質的壓力下發生相對運動,下游前閥座與外閥座與閥體密封(密封圈結構密封),內閥座與閥板密封(金屬與金屬密封),如圖4所示。

    閘閥 閥門 閥座 彈簧 閥體 密封圈

    圖3 閥開啟狀態

    閘閥 閥門 閥座 彈簧 閥體 密封圈

    圖4 閥關閉狀態

    四、工業試驗

    1.技術參數

    1)工作壓力:105MPa。

    2)公稱通徑:3 1/16in(78mm)。

    3)工作溫度:-29~121℃(P~U)。

    4)材料級別:EE-0.5。

    5)產品性能等級:PR1。

    6)產品規范等級:PSL3。

    2.設計標準

    1)API SPEC 6A 20th,《井口裝置及采油樹設備規范》。

    2)NACE MR-01-75,《油田設備用抗硫化物應力腐蝕斷裂和應力腐蝕裂紋的金屬材料》。

    3.現場試驗

    2015年4月,在高壓試驗室內做靜水壓試驗,分別做了三次靜水壓試驗,第一次試驗壓力從0MPa升壓至70MPa,達到70MPa持續15min后,沒有出現掉壓現象;第二次試驗壓力從0MPa升壓至105MPa,達到105MPa持續30min后,沒有出現掉壓現象;第三次試驗壓力從0MPa升壓至105MPa,達到105MPa持續60min后,沒有出現掉壓現象。通過室內靜水壓試驗可以說明雙閥座結構密封效果較好。

    2015年6月,該防砂閘板閥在江漢井下在重慶焦石壩鎮焦頁4-2HF井進行工業試驗,經現場調試后連接到地面高壓管匯中進行測試,整體試壓105MPa,穩壓60min,無壓降。在施工6個月后,將該防砂閘板閥拆卸觀察,發現該閥座結構完好,閥體內部沒有出現砂礫堆積的現象,從而說明該防砂閘板閥結構能適應油田作業工況。

    五、結語

    1)雙閥座防砂閘板閥采用閥前密封結構,有效地彌補了單閥座閥后密封的缺陷,可以有效阻止油氣介質中的砂礫進入閥體內部,延長了防砂閘板閥的使用壽命。

    2)雙閥座結構設計簡單、適應性強、操作簡便且維護成本低廉,對各種高壓閥的設計具有很高的參考價值和應用價值。

    3)雙閥座防砂閘板閥應在額定壓力下工作,當介質壓力超過額定壓力時,內閥座與外閥座會被撐開,介質中的砂礫可能會進入內閥座和外閥座之間的間隙,損壞閥座密封面,造成閥門密封失效,從而影響閥門的使用壽命。

    4)對用戶進行防砂閘板閥使用(如裝配流程、閘閥開關順序)和保養等方面的系統培訓,嚴禁超額定工作壓力使用,避免使用風險、延長設備使用壽命。

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    (來源:中國泵閥第一網)

    本文標簽: 閘閥 閥門 閥座 彈簧 閥體 密封圈 
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