PFF65－140型硬密封圆弧平板闸阀结构改进

2014-04-06宋振华杜文波

石油矿场机械 2014年4期

郑泳，张川，宋振华，杜文波，饶冬，张津

（1.宝鸡石油机械有限责任公司广汉钻采设备厂，四川广汉618399；2.宝鸡石油机械有限责任公司成都装备制造分公司，成都610051）①

随着超高压气井的不断出现，常规70MPa、105 MPa采气井口装置已不能满足现场实际需要。近年以来，超高压压裂井口的需求也越来越迫切，因此，加快试制140MPa超高压采气井口装置已成为国内制造企业的首要任务。平板闸阀作为采气井口装置中的重要部件，应成为研究的突破口。

诸多企业在试制通径为65mm、压力级别为140MPa的平板闸阀（PFF65－140型平板闸阀）期间，均有阀板、阀座硬质合金层在超高压作用下爆裂的现象，其裂纹呈圆周放射状分布，如图1。

为了提高该阀的密封性能，设计者普遍采取的措施是：增加阀板、阀座硬质合金层的厚度；加宽阀板、阀座的尺寸；更改阀板、阀座的基体材料及热处理工艺。但是，效果都不理想。加厚阀板、阀座硬质合金层会导致阀板、阀座的喷焊合格率大幅下降。加宽、加厚阀板、阀座会使阀体腔室空间变大，生产成本增加，阀体报废率高。更改阀板、阀座的基体材料及热处理工艺导致试制周期延长。

1 原有设计存在的问题

原始设计的阀板、阀座结构如图2［1］。

图2中的参数是：D为阀座受压外圆直径，D＝118mm；d2为阀座硬质合金层承压外径，d2＝116 mm；d1为阀座硬质合金层密封带内径，d1＝65.5 mm；bm为阀座硬质合金层密封带宽度，bm＝25.25 mm；p为工作压力，p＝140MPa。

阀座的密封比压［1］

带人数据计算得

虽然《阀门设计手册》要求密封面的比压≤250 MPa。实际比压q1＝212.7MPa，在允许范围内。但是，在实际生产中，由于焊接等因素的影响，当密封面的比压大于200MPa，阀座硬质合金层在各种复杂因素的作用下就有可能在高压下爆裂。因此，阀板、阀座密封面的比压偏大。

2 第1次改进设计［2］

根据分析得出的原因，对平板闸阀阀座进行第1次结构改进，解决阀座密封面的比压偏大的问题。方法是将阀座受压外圆直径减小，使得密封比压减小。改进的结构如图3。

图3中的参数：D＝110mm，d2＝116mm，d1＝65.5mm，bm＝25.25mm，p＝140MPa。计算阀座的密封比压：

第1次改进设计后的平板闸阀阀座的硬质合金层在试验中仍然出现爆裂现象。

3 第2次改进设计

3.1 阀座受力分析［3］

3.1.1 理论计算

经研究发现，在平板闸阀进行全关试验时，压力介质端阀座的硬质合金层发生了爆裂，而无压力介质端（通大气）阀座硬质合金层却完好无损。

按图3的阀座尺寸计算得：

有压力介质端阀座硬质合金层所受的压力为

无压力介质端阀座硬质合金层所受的压力为

从以上的计算结果来看，无压力介质端阀座硬质合金层所受的压力比有压力介质端阀座硬质合金层所受的压力大1倍还要多，但是没有发生爆裂。这说明有压力介质端阀座还有其他作用力使其硬质合金层爆裂。

实际上，阀座在橡胶密封圈和阀板的硬密封作用下，可以把阀座看作是独立的高压厚壁容器，阀座承受切向拉应力σt、径向压应力σr、轴向压应力σz的作用。如图4。

由于阀座喷焊硬质合金层后，为保证阀座消除焊接应力，要将阀座基体加热与焊层温度相一致，再放入烘箱随炉冷却，这样，阀座基体材料为退火状态。通过检测喷焊硬质合金层后的阀座基体的硬度便可以证明这一点。

把阀座简化为厚壁圆筒［2］，外径d2＝116mm，壁厚δ＝25.25mm，内压力p＝140MPa。

假设σ为阀座基体的内应力，根据《液压元件手册》，厚壁筒强度公式：

带人数据得

计算得σ≈406MPa。

3.1.2 有限元分析

有限元分析结果如图5，阀座基体的最大应力为411.5MPa，最小应力为6.9MPa。

3.1.3 硬质合金层爆裂的原因

阀座喷焊的硬质合金层属于脆性材料，应力－应变曲线如图6，没有屈服现象和颈缩现象，强度极限是衡量脆性材料的唯一指标。硬质合金的强度极限低于合金结构钢的强度极限，接近合金结构钢的屈服极限（从试验中得到证实）。理论计算和有限元分析证明阀座基体内的应力已很接近材料的屈服极限。当阀座基体内应力达到最大，在切向拉应力σt、径向压应力σr的共同作用下，阀座基体产生最大变形，而硬质合金层抵抗不住阀座基体产生的变形，最终造成硬质合金层爆裂。

经过理论计算和试验，造成阀座硬质合金层爆裂的力是超高压介质所产生的切向拉应力σt和径向压应力σr，而与轴向压应力σz关系不大。

3.2 阀板受力分析

阀板的硬质合金层在超高压力作用下也发生爆裂现象，其裂纹呈圆周放射状分布。因此，将阀板的两侧面改进成外凸圆弧。图7～8是改进前后阀板的应力云图，可以看出2种阀板在全开过程中，承受140MPa内压时，均是65mm通孔口出现最大应力集中区域。为了减小应力集中，最佳的方法是做倒角处理。改进后阀板的应力明显减小。