超高壓平板閘閥的雙閥座密封分析

魏軍會(huì) 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(jī)械鉆采設(shè)備有限責(zé)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(shè)備中至關(guān)重要，采氣樹是控制井口天然氣的流通與截?cái)嗟年P(guān)鍵設(shè)備,而平板閘閥更是采氣樹的核心部件?，F(xiàn)如今，石油工業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)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(duì)于單閘板的平板閘閥[1]，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)由單閥座密封逐步發(fā)展為雙閥座密封。所謂雙閥座密封，就是指閥門關(guān)閉時(shí)平板閘閥的前后2個(gè)閥座同時(shí)實(shí)現(xiàn)密封。當(dāng)介質(zhì)壓力進(jìn)入時(shí)，內(nèi)閥座與外閥座發(fā)生微小的分離，內(nèi)閥座緊貼在閘板上，而外閥座緊貼在閥體上。內(nèi)外閥座間由密封圈進(jìn)行密封，這種密封保證閘板閥不會(huì)發(fā)生內(nèi)漏的情況。這種結(jié)構(gòu)不僅能夠提高平板閘閥的密封可靠性，而且由于在安裝時(shí)不用嚴(yán)格區(qū)分進(jìn)口端與出口端，因此安裝十分方便?！癘”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(shí)現(xiàn)，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(guān)鍵問題之一。

1 密封原理分析

閘板從全開到全關(guān)的過程中，雙閥座平板閘閥的閥座密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，此時(shí)的氣體處于高壓狀態(tài)，相當(dāng)于閥腔帶高壓。由于1~6號(hào)密封圈前后的壓力都為高壓狀態(tài)，因此，此時(shí)所有密封未起到密封的作用。當(dāng)閘板繼續(xù)向下移動(dòng)，閘板全關(guān)前的一瞬間，閘閥內(nèi)部壓力分布如圖2所示（圖中具體壓力值根據(jù)實(shí)際情況會(huì)有所不同），入口端壓力最高（高壓區(qū)），閥腔壓力次之（次高壓區(qū)），出口端壓力最低（低壓區(qū)）。

圖2 閘閥在全關(guān)前一瞬間內(nèi)部壓力云圖

全關(guān)狀態(tài)如圖3所示，這時(shí)候高壓氣體會(huì)向各零件結(jié)合處的空隙中流動(dòng)，圖中白色小箭頭代表高壓氣體的流動(dòng)方向。

圖3 閥座密封全關(guān)狀態(tài)橫截面示意圖

當(dāng)閘板全關(guān)時(shí)，入口端保持有高壓氣體，而出口端變成了低壓。此時(shí)嵌套在外閥座內(nèi)的內(nèi)閥座一面與閘板緊靠在一起，而另一面在2號(hào)（或5號(hào)）密封圈的彈力之下不會(huì)與外閥座緊密貼合，而是產(chǎn)生一定大小的縫隙，這個(gè)縫隙的大小取決于密封圈的彈性與閘板對(duì)內(nèi)閥座的擠壓力。圖4為2號(hào)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(xiàn)出矩形的輪廓，密封圈的彈力又迫使內(nèi)外閥座之間形成縫隙。

圖4 內(nèi)閥座密封圈及周圍的局部放大圖

當(dāng)有壓差存在時(shí)，閘板在壓差的作用下會(huì)向右靠攏，并緊緊地壓在出口內(nèi)閥座上，在表面足夠光滑時(shí)，閘板與出口內(nèi)閥座便能夠在壓差的作用下形成密封狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)出口內(nèi)閥座與閘板之間的金屬密封。在閘板提供的壓力下，4、5號(hào)密封圈能夠?qū)崿F(xiàn)出口內(nèi)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(hào)密封圈密封。

由于閥腔在關(guān)閉瞬間會(huì)帶次高壓，因此在入口和閥腔之間也存在壓差。這時(shí)候1號(hào)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(hào)密封圈密封住入口內(nèi)閥座與出口外閥座之間的氣流通路。與此同時(shí)，入口處的高壓氣體會(huì)進(jìn)入內(nèi)閥座與外閥座的空隙中?？障吨械母邏簹怏w會(huì)推動(dòng)內(nèi)閥座移動(dòng)，從而將入口內(nèi)閥座緊緊地壓到閘板上，實(shí)現(xiàn)入口內(nèi)閥座與閘板之間密封。

雙閥座密封的關(guān)鍵是“O”形圈及各種墊片與內(nèi)外閥座的緊密配合。“O”形密封圈所產(chǎn)生的預(yù)緊力[2]使2內(nèi)閥座緊貼在閘板上，并且在入口外閥座與入口內(nèi)閥座的接觸面上產(chǎn)生一定的縫隙，這樣高壓氣體進(jìn)入縫隙后就能將入口內(nèi)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(shù)設(shè)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(yōu)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(jìn)行壓力試驗(yàn)的話，則研究時(shí)間過長(zhǎng)，并且研發(fā)成本過高。如果事先對(duì)密封圈進(jìn)行有限元仿真分析，則可以節(jié)省時(shí)間，節(jié)省原材料并降低研發(fā)成本。

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

表1 密封圈線徑與其對(duì)應(yīng)的壓縮率

將“O”形密封圈看作超彈性近似不可壓縮體，其應(yīng)變能函數(shù)廣泛使用基于Mooney-Rivlin[5]的本構(gòu)模型來描述，數(shù)學(xué)形式如下。

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

2.2 仿真結(jié)果分析

ABAQUS軟件中的Mises應(yīng)力即為馮·米塞斯應(yīng)力，又稱等效應(yīng)力，反應(yīng)了材料內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，其表達(dá)式如下。

式中：σm表示等效應(yīng)力，σ1、σ2、σ3分別表示第一、二、三主應(yīng)力。

在密封圈裝好后的應(yīng)力主要集中在兩側(cè)，呈“啞鈴”狀分布[6]。不同線徑“O”形密封圈的Mises應(yīng)力隨著線徑的增大，應(yīng)力往兩邊集中的趨勢(shì)越明顯。為了探究線徑對(duì)“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(yīng)力[7]隨密封圈線徑變化的曲線圖。圖中最大接觸應(yīng)力隨著密封圈線徑的增加而增加。最大接觸應(yīng)力在密封圈線徑到達(dá)3.7mm之前增加得相對(duì)緩慢，之后便會(huì)迅速增加。

圖5 最大接觸應(yīng)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(dá)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(fā)生彈性變形，填充和封閉間隙從而實(shí)現(xiàn)密封。密封圈的線徑越大，其在預(yù)緊力下產(chǎn)生的變形越大，也更能充分填充和封閉間隙。從上述結(jié)果可以看出，只考慮密封性能以及預(yù)緊力要求時(shí)，“O”形密封圈的線徑當(dāng)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(nèi)選擇的密封圈線徑為3.75mm。

3 結(jié)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(yù)緊力對(duì)密封效果的影響，并根據(jù)其原理進(jìn)行了針對(duì)密封原理的仿真分析，針對(duì)“O”形密封圈線徑這一尺寸進(jìn)行仿真分析，得到不同線徑“O”形密封圈的Mises應(yīng)力變化規(guī)律：其最大接觸應(yīng)力隨著密封圈線徑的增加而增加。最大接觸應(yīng)力在密封圈線徑到達(dá)3.7mm之前增加得相對(duì)緩慢，之后便會(huì)迅速增加。并通過密封面等效接觸面積與密封圈線徑的關(guān)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。