平衡式管線旋塞閥開發設計
上海申弘閥門有限公司
摘要：介紹了平衡式油密封管線旋塞閥的工作原理和主要特點，詳細介紹了閥門結構設計及要求。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。
關鍵詞：旋塞閥；平衡式；設計；
The design of the balanced plug valves for pipeline
(shenjiang valve co.,ltd zhejiang yueqing 325605)
Abstract：Introduced the operating principle and main characteristics of the balanced type lubricating plug valves for pipeline, and the details of the valve’s configuration design and requirements.
Key words：plug valve, balance type, design
1、慨述
管線旋塞閥是用于長輸天然氣管線及場站控制系統的切斷閥門，是一種滿足天然氣管線特殊要求的閥門。要求閥門具有適用惡劣的環境、30年以上的使用壽命、雙向零泄漏、失火和防靜電、耐酸性介質腐蝕、以及操著省力等特殊技術性能。對于管線旋塞閥其技術標準是美國石油協會頒發的API6D標準《石油和天然氣工業管線輸送系統管線閥門》及API599標準《法蘭和焊連接的金屬旋塞閥》。目前國內天然氣管線及場站控制系統使用的旋塞閥全部采用進口的倒裝平衡式油密封旋塞閥。對于本旋塞閥的國產化開發及在長輸天然氣管線系統推廣應用具有積極的現實意義。
2、閥門結構形式
該種管線旋塞閥采用倒裝閥芯壓力平衡式油密封結構。包括閥體、閥蓋、閥桿、旋塞體、聯軸平衡環、閥桿密封組件和安裝件。閥芯表面硬化處理并開有特殊油槽回路，閥體外有雙密封油脂注入裝置，一個是通過注入油脂對閥桿實現緊急密封，另一個是將油脂注入到閥體上腔。錐形旋塞體的小端通過平衡環與閥桿連接，閥體底部閥蓋上裝有調節支撐，可以調整閥芯的位置。閥門采用防火設計，有靜電導出裝置，過流通道按API6D的規定有全徑、規則孔及文丘里孔。閥門材料可采用碳鋼、低溫鋼、不銹鋼及合金鋼。驅動方式有電動、氣動、手動等。
3、工作原理及性能特點
通過閥桿旋轉90度使閥芯上的通道口與閥體上的通道口接通或斷開，實現閥門開啟或關閉。通過該閥閥腔上部設計的注油
脂閥注入密封油脂，該油脂在注入壓力作用下通過閥芯表面的特殊油槽均勻涂抹在密封面上，形成致密的油膜層實現閥門雙向密封并起潤滑密封面的作用。在閥芯大端開有通流的小孔，使管道介質能進入閥芯底部，閥芯在底部介質力推動下向上緊貼閥體倒錐面。閥芯小端裝有單向閥，當閥腔上部的注脂壓力高于管道介質壓力時單向閥截止，當閥腔上部的油脂壓力低于介質壓力時管道介質通過單向閥進入閥體上腔以補充油脂壓力。同時閥芯在上腔油脂壓力及閥芯自重力作用下與閥芯底部向上的介質推力保持平衡，可以大大減輕密封面的密封比壓，降低閥門操作力矩，延長閥門使用壽命。
該種管線旋塞閥與傳統襯套式旋塞閥相比具有扭矩小、密封性能好、使用壽命長、適用范圍寬等等顯著特點。
1）、密封可靠，使用壽命長。旋塞閥靠錐面密封，密封接觸面大，油膜潤滑并起密封作用。采用注油脂密封，在旋塞的開關運動過程中能將密封油脂均勻涂在密封面上，有效潤滑密封面。同時因密封油脂的填充占位及開關過程中的檫拭作用，介質中所含的固體顆粒物不會進入密封副中，而在全開時可*防止與流動介質的接觸，有效保護密封副。
2）、閥門力矩小，操著省力。采用倒裝安裝方式的旋塞錐體。在閥門開啟瞬間，閥體下腔的壓力與管道的介質壓力平衡，推動旋塞體向上貼緊閥體內錐面，閥門上腔
的高壓密封油迫使塞體受到向下的推力，而使旋塞錐體的上下端受力達到平衡，旋轉塞體時的力矩將有效減少。
3）、閥體底部閥蓋上裝有調節支撐，可以調整閥芯的位置。在高溫工況下，旋塞的熱膨脹可通過其升降來吸收，避免密封副楔死。同時該裝置具有將閥芯與介質摩擦可能產生的靜電導出的功能。
4）、閥桿防飛出設計，O形圈及石墨填料、注入密封脂三重閥桿密封設計，符合低泄漏 要求；可可靠工作，免緊固維護，具有防火功能。
4、設計
4.1、結構
閥門由閥體、閥桿、旋塞、底蓋、聯軸平衡環、預壓彈
簧、旋塞調整桿、底蓋密封調整墊片、注脂閥、閥桿密封組件等組成。底部密封調整墊片通過底蓋壓緊實現閥體中腔與外界的*隔離，密封可靠，無泄漏。底部閥蓋上安裝有帶保護罩的調節螺釘，可方便調整閥芯的位置及密封副預緊。閥門可按用戶要求配置氣動、電動、液動執行機構。
4.2 閥體
4.2.1 采用倒鐘式結構整體鑄造，強度高、剛性好，受力均勻，閥體，閥門質量中心與管道中心基本重合，操作穩定好。閥體壁厚按計算取值并經有限元分析優化。
4.2.2 閥體壁厚SB’計算依據為
SB’=??CPPDLn
???3.2
式中：SB’ –計算壁厚，mm
P –計算壓力（PN設計給定），MPa Dn --計算內徑（設計確定），mm
σL ---許用拉應力（按材料標準確定），MPa C –腐蝕余量（設計確定），mm
實際設計壁厚應滿足SB＞ SB’為合格.
4.2.3 閥體密封錐面采用高速精磨加工，并經研磨后表面粗糙度小于Ra0.8 4.3 旋塞
4.3.1 采用倒裝式旋塞，整體鍛造，精密機械加工并研磨后表面粗糙度可達Ra0.4。4.3.2 旋塞表面采用氮化、鍍鎳磷合金或噴涂硬質合金等表面處理手段提高表面硬度；超音速噴涂硬質合金的表面硬度可達HRC65以上，鍍鎳磷合金并經熱處理后，其表面硬度可達HRC58~60。在油膜潤滑下具有*的耐磨性能。
4.3.3旋塞錐體的上部（小端）有一止回閥，可補償閥腔上部的注油壓力。旋塞的下部（大端）開有平衡孔，可將介質壓力引入旋塞底部。
4.4 密封副
4.4.1 密封副結構形式見右圖.采用金屬密封結構加注油脂密封。由于密
封油脂的填充占位作用，介質中的固體顆粒物不會進入密封面，對密封面有非常好的保護作用.因油脂的潤滑使閥門操作力矩小，操作省力。
4.4.2 特殊的非對稱油槽設計，轉動旋塞時密封脂自動加注無泄漏，*保證油膜完整、密封可靠。這種非對稱的油槽設計油耗損失非常小，延長了油脂的加注時間和使用周期。
4.4.3 錐面密封，密封接觸面積大，油膜潤滑，使用壽命長。
4.5 閥桿及閥桿密封
4.5.1 閥桿的強度和密封性能是影響閥門操作及閥門整體性能的主要因數之一。閥桿的受力主要來自于填料處的摩擦力、操作扭矩及介質的推力。
4.5.2 閥桿與旋塞采用滑環式連接方式，可減少閥桿中心與旋塞錐面的同心度誤差，改善閥桿的受力條件和操作性能。
4.5.3 閥桿采用防飛出設計，可在線更換填料密封件。
4.5.4 閥桿密封采用防火填料、O形密封圈、加注密封脂三重密封設計，閥桿機加工后表面粗糙度可達Ra0.4，*閥桿密封低泄漏要求，可可靠工作，免緊固維護。
4.5.5 閥桿采用4140材料整體鍛造，并加調質處理，強度高韌性好。閥桿表面采用氮化或鍍鎳磷合金，表面硬度高，抗摩擦磨損。 4.6 閥蓋及底部結構
4.6.1 底部閥蓋是閥門底部承壓件，同時又是底部密封墊片、底部調節桿的固定和安裝支撐件，要求具有高的剛度和強度。其設計制造執行ASME規范關于法蘭蓋的設計要求。
4.6.2 底部閥蓋的密封采用整體密封墊*隔離式結構，在保證閥蓋螺栓緊固力時閥門具有可靠的密封。
4.6.3 安裝在閥蓋底部的調節桿采用內置式結構。調整完成后旋緊壓蓋*零泄漏。
4.6.4 底部調節桿支持閥芯，導出閥芯因各種原因產生的靜電。
5 結語
5.1 自西氣東輸一線建成后，國內進口了大量管線旋塞閥，促進和推動了部分閥門制造企業開發該產品，但一直未能在實際項目中投入批量應用。本公司從2003年開發本平衡式管線旋塞閥并實現出口。經不斷消化吸收國外新技術，對該產品的不斷*和改進，其主要技術指標達到或超過*水平。新一代油密封旋塞閥，雙向零泄漏、密封性能好、使用安全可靠，閥門扭矩小、操作省力，油膜潤滑無磨損，使用壽命長，可廣泛應用于天然氣管網及場站控制系統。
5.2 西氣東輸二線主干線已經建成通氣，各地區支干線及地方支線正加緊建設，預計本閥門的市場前景將十分廣闊。該閥的推廣使用將為國家及建設單位節省大量投資，也會為閥門制造企業帶來巨大的市場機遇和經濟效益。本文相關的論文有：中國閥門產值遞增
參考文獻
1 API599-1994 法蘭和焊連接金屬旋塞閥
2 API6D-2008 石油和天然氣工業管線輸送系統管線閥門
3 楊源泉 閥門設計手冊 北京 機械工業出版社 1992
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