超高压球阀结构设计优化

01

概述

球阀由于密封性能好、流阻系数小、结构紧凑、密封可靠、启闭灵活、安全性能高、使用寿命长等优点被应用于各种行业管道系统中，特别是安装在陆上井口、海洋平台井口装备上的超高压球阀，已成为开采工艺中的关键部件。该超高压球阀用于开闭管路、控制流向、调节和控制输送介质，具有快速切断的优异性能，是调节油气流体流量、确保压力稳定的核心控制装备，也是油、气二次注气压采工艺中的关键装置，被称为气田输送的“咽喉”。本文将分别从超高压球阀的球体支撑定位、阀座密封面、阀杆与球体连接、传动链的参数要求、防介质冲刷、壳体强度及最小壁厚、体盖密封等方面提出了结构设计优化方案，以提升超高压球阀的产品性能，使产品更加安全稳定运行。

02

超高压球阀的设计

以国内某气田项目为例，超高压球阀主要技术参数见表1。

表1  超高压球阀技术参数

21  球体支撑结构

球体支撑结构应设计上下支撑板，其结构如图1所示，在球体设有上下两个对称的支撑板，当阀座安装在左右体阀座孔内，阀座与左右体两零件中心重合；当支撑板与左右体相互配合安装到位后，支撑板与左右体两零件中心重合；当中体与左右体安装到位后，中体与左右体两零件中心重合，最终形成以左右体通道中心线为基准，阀座、支撑板、中体三中心重合的现象，确保球体的中心位置，进而使球与座之间的密封副高度吻合。阀在开启和关闭过程中平稳，扭矩较轻，大幅提高了其使用寿命。尽量避免采用上下轴支撑结构，这是由于上下轴会形成悬臂梁结构，在超高压载荷下，上下支撑轴均存在一定的弹性形变，启闭时承受弯矩、扭矩共同作用，导致球体偏移，开启扭矩重，甚至功能失效。

图1  球体支撑结构

2.2  阀座密封面结构

阀座密封面结构应设计为弹性槽结构，如图2所示。传统高压球阀阀座密封面为宽斜面或球面，在高压作用下会出现外翻、翘曲形变，导致密封面涂层受力不均，严重时会出现开裂现象；而弹性槽结构可让密封面的微量形变转为基材微量弯曲形变，使得整个密封区域变形同步，避免了因翘曲变形不同步而引起的密封面开裂，确保密封可靠性。分别设计出传统阀座和弹性槽阀座进行有限元分析，两种结构阀座的几何尺寸除了密封面局部位置不同，其余保持一致；选取相同的材料，介质压力取10000 Psi（69 MPa），模拟结果如图3所示，比较两种结构受到的应力载荷，得出弹性槽阀座结构的应力载荷远小于传统阀座结构。

图2  阀座弹性槽结构

(a)优化前阀座结构

(b)优化后阀座弹性槽结构

图3  阀座密封面结构

2.3  传动配合结构及材料要求

阀杆与球体连接应采用渐开线型花键、四方头或六方头紧密配合结构，分别如图4和图5所示，以上三种结构的接触面积显著增大，且多面接触也分散了应力集中；渐开线型花键和方头配合结构显著提升了扭矩承载和抗冲击性能，四方头结构适合应用在小口径超高压阀门中，六方头和渐开线型花键结构适合用在中、大口径超高压阀门中。此外，应避免采用扁方结构，由于扁方结构易使杆与球体配合间隙过大，无法消除，尤其是在ESD超高压阀中，关闭末期局部接触面受到强大的瞬间冲击，由于间隙过大而导致阀杆偏转，大幅降低了该结构的稳定性‌；同时阀杆的材料选用高强度的ASTM B637 NO7718，键选用17-4PH，参数要求如表2所示。

图4  花键结构

(a)四方结构  

(b)六方结构

图5  方头结构

表2  材料参数

2.4  防介质冲刷结构

防介质冲刷结构如图6所示，球阀在开启初期、关闭末期，球体与阀座密封副之间因形成了狭窄空隙通道而产生了超高速流体。当介质中含有固体颗粒物时，固体颗粒物与超高速气流将形成气固两相混合介质，而气固混合介质中的固体颗粒在高速流动中具有较大动能，频繁撞击球口和阀座内孔，引发微切削磨损，长期作用下易导致球口磨损或划痕，甚至击穿阀座‌。因此，需对球体的球口部位和阀座的内孔做硬化处理，必要时球口还需设计为防冲刷结构，以应对在阀门0~10%开度时介质带来的冲击与冲刷。

(a)颗粒撞击示意图  

(b)硬化部位示意图

图6  防介质冲刷结构

2.5  壳体强度及最小壁厚计算

壳体最小壁厚及强度设计需与API 6D高压球阀进行区分，API 6D球阀最小壁厚依据ASME B16.34 表3A，但压力不包括10000 Psi（69 MPa），因此除了采用ASME BPVC.Ⅷ.2-2023承受内压的圆筒体最小壁厚公式外，由于壳体壁厚受到轴向开孔和垂直方向开孔，整体强度被削弱，且外加端部应力和扭矩载荷，还应参照《API 6X Design Calculations for Pressure-containing Equipment》进行阀体强度当量应力校核（图7）。壳体最小壁厚和当量应力的计算公式如下：

图7  应力分量图

（1）

式中  t——壳体最小壁厚，mm

D——壳体内径，mm

P——设计压力，MPa

S——设计温度下的许用应力，MPa

E——系数

（2）

式中  Se——当量应力，MPa

σx、σy、σz——直接应力分量，MPa

τxy、τyz、τzx——剪切应力分量，MPa

2.6 体盖密封结构

体盖密封结构应为压力自密封结构，该结构设有2道密封，即初级密封+次级密封结构。两道密封均为压力自密封结构，属于静态密封，初级密封副材料为两种不同硬度值的高分子密封材料，而次级密封副材料为两种不同硬度的金属材料，这是由于采用不同硬度材料进行密封可以形成机械咬合密封形式，能够较好的解决高压气体介质作用下的泄露问题。应尽量避免采用氟橡胶O型圈或金属缠绕垫圈，这是由于氟橡胶O型圈在长期高压环境下会因材料应力松弛而导致弹性逐渐丧失，且超高压更加剧了这种不可逆变形，同时氟橡胶O型圈易挤入密封间隙，造成边缘咬伤或结构撕裂现象；金属缠绕垫中的石墨密封带具有一定孔隙率，在高压气体载荷下密封可靠性存在一定风险。

 1.中体  2.左右体  3.压力自密封金属垫圈  4.压力自密封圈  5.内镶密封圈  6.外镶密封圈  7.楔型支撑圈  8.弹簧

(a)                            (b)

(a)体盖之间密封结构  (b)初级密封件

图8  体盖密封结构

2.7  快速检漏结构及预警装置

快速检漏结构及预警装置设计如图9所示，通过在检漏口安装压力传感器，实现在线监测功能，以提高阀门的安全性。API 6A PSL 3G 10000 Psi高气压产品测试存在较高的危险性，且气压的增压过程较为缓慢，为了保证气压测试的安全性并提高生产效率，在体盖密封的压力自密封金属垫圈与压力密封圈之间设置检漏口。阀门装配完成后，由于无法判断压力自密封圈和压力自密封金属垫圈密封的完好性，在密封之间设置检漏口便可分别对压力自密封圈与压力自密封金属垫圈密封性能进行验证。从检漏口充入高压气体，通过压力变化及有无气泡出现快速判定壳体密封是否完好，如此既能快速判定是否有泄漏，还能节省阀门装配、试压的调整时间，提高工作效率，并降低测试过程中的危险性。当阀门在线运行时，在快速检漏口处安装压力传感器，当阀门产生泄漏时，可以立即报警，进而提高了生产安全性。

1.阀体  2.阀盖  3.压力自密封金属垫圈  4.压力自密封圈  5.压力传感器

图9  快速检漏结构及预警装置

03

结语

针对超高压球阀，本文从球体支撑定位结构的选用、阀座密封面结构受力分析、阀杆与球体连接结构对比、传动链的参数要求、防介质冲刷工艺的作用、壳体强度及最小壁厚推荐计算公式、体盖密封结构设计等方面进行详细分析，并已按优化后的结构批量生产，产品性能按API 6A 标准PSL 3G等级要求进行验收，主要技术参数和性能指标均达到国际同类产品的先进水平，且优化后的产品已批量应用于国内某千亿方大气气田项目中，打破了国外超高压球阀长期垄断的状况，替代进口，对国产化进程具有重大意义。在未来的研究中，将采用ANSYS进行减振降噪技术优化，研究阀门在不同开度下的流固耦合振动模态形式、频率和总振级，进行振动特性定量评价；针对超声速非定常流边界条件及边界层拟序结构进行超声速流体流动声传播及声辐射计算，揭示超声速混合波形对振动噪声的影响机理，并研究出基于主动抑制和被动抑制的超高压球阀减振降噪的设计方法。