大口徑雙向密封固定式球閥的閥座結構分析
為了確保球閥閥座密封達到0泄漏，根據api6d標準閥座結構的原理，對閥門設計了多種復合型閥座結構，本文介紹一種新型大口徑固定球球閥雙向密封閥座的結構。
1概述
在長輸管線輸送系統中，對管線球閥的性能等要求相當嚴格，如要求具有防火、防靜電、防爆和0泄漏等。為了確保球閥閥座密封達到0泄漏，根據api6d標準閥座結構的原理，對閥門設計了多種復合型閥座結構，本文介紹一種新型大口徑固定球球閥雙向密封閥座的結構。
2閥座結構
根據api6d標準提出的雙阻塞與泄壓（dbb）和雙隔離與泄壓（dib－1和dib－2）的閥座結構原理，閥座結構有單活塞效應、雙活塞效應和組合型3種。
（1）雙阻塞與泄壓閥座
雙阻塞與泄壓閥座（dbb）即單活塞效應閥座是自泄壓閥座結構，介質進口端和出口端閥座結構一致，它是閥前閥座密封原理，介質可以雙向流動。dbb閥座有雙密封閥座（圖1）和單密封閥座（圖2）兩種結構。雙密封閥座是由兩個能夠單獨實現閥座密封的非金屬材料組合而成，在介質壓力作用下，初級閥座支撐座上產生的△a1環形面積差的壓力加上彈簧力，確保初級閥座和球體形成密封副。
當初級閥座密封失效后，介質通過初級閥座到達次級閥座，在次級閥座支撐座上產生的△a1'環形面積差的壓力加上彈簧力，確保次級閥座和球體形成密封副。這種閥座結構能夠在閥腔內的介質壓力達到公稱壓力的1.33倍時，推開介質出口端次級閥座支撐座，使介質壓力到達初級閥座，介質再推開介質出口端初級閥座支撐座，使閥門的介質壓力泄放到出口端，保障了閥門體腔內壓力不過載。
1.初級閥座支撐座2.初級閥座（尼龍）
3.次級閥座（氟橡膠）4.次級閥座支撐座5.球體
圖1雙密封的雙阻塞與泄壓閥座（dbb）
（2）雙隔離與泄壓閥座
雙隔離與泄壓閥座（dib－1）即雙活塞效應閥座，介質進口端和出口端閥座結構一致，其閥前閥座和閥后閥座都能夠實現密封，介質可以雙向流動。dib－1閥座有雙密封閥座（圖3）和單密封閥座（圖4）兩種結構。雙密封閥座由兩個能夠單獨實現閥座密封的非金屬材料組合而成。在介質進口端，初級閥座支撐座上產生的△a1環形面積差的壓力加上彈簧力，確保初級閥座和球體形成密封副。當初級閥座密封失效后，介質通過初級閥座到達次級閥座，在次級閥座支撐座上產生的△a1'環形面積差的壓力加上彈簧力，確保次級閥座和球體形成密封副。當進口端雙重閥座密封全部失效后，介質進入閥腔，到達出口端閥座，在次級閥座支撐座上產生的△a2環形面積差的壓力加上彈簧力，確保次級閥座和球體形成密封副。當次級閥座密封失效，介質壓力到達出口端初級閥座，介質推開初級閥座支撐座，介質進入出口端，不能形成密封副。所以，雙密封閥座在出口端僅為一重閥座密封，是三重閥座密封。由于雙活塞效應閥座在閥腔異常升壓時，進出口兩端次級閥座都能夠與球體形成密封副，所以體腔內超標的介質壓力不能泄放，不具備閥腔自泄壓功能。因此，閥門需要在閥體上安裝自動泄壓閥，在閥腔壓力達到公稱壓力的1.33倍時，可通過自動泄壓閥釋放閥腔內過高壓力。
圖2單密封的的雙阻塞與泄壓閥座（dbb）
（3）組合的雙隔離與泄壓閥座
組合的雙隔離與泄壓閥座（dib－2）是結合雙阻塞與泄壓和雙隔離與泄壓結構的優點，介質進口端使用dbb閥座，介質出口端采用dib－1閥座。組合的雙隔離與泄壓閥座為介質單向流動，進出口兩端雙向密封。dib－2結構是三重閥座密封。當體腔壓力達到公稱壓力的1.33倍時，體腔內介質推開進口端次級閥座支撐座和初級閥座支撐座脫離球體，閥腔內的壓力向介質進口端自動泄放，確保閥門安全。
3分析
（1）dbb閥座的主要優點是自泄壓，介質未排放到閥門外，不會增加石油和天然氣等易燃易爆介質泄漏造成的危害。但是，單密封閥座僅為進口端一重密封，雙密封閥座也僅僅為進口端二重密封。雖然閥座密封可以達到0泄漏，但很難滿足長輸管道苛刻工況的要求。
（2）dib－1閥座密封壽命長，基本滿足長輸管道的苛刻工況。但dib－1閥座的閥腔不具備自泄壓功能，需要在閥體上安裝自泄壓安全閥，增加了閥門的泄漏點。如果泄壓安全閥失效，閥腔異常升壓帶來的危險無法預估。一般來說，在石油和天然氣長輸管道上使用較少。
圖3雙密封的雙隔離與泄壓閥座（dib－1）
圖4單密封的雙隔離與泄壓閥座（dib－1）
（3）dib－2閥座綜合了dbb和dib－1結構的優點，是石油和天然氣長輸管道系統中，優先選擇的閥座密封結構。dib－2閥座結構比較復雜，零件較多，造成零件尺寸精度較難控制，零件的強度和剛度較差，初級和次級閥座之間距離較大，要保證兩個閥座和球體都達到密封，要增大球體的直徑，從而增加閥門的操作扭矩和原材料成本。dib－2閥座應用不廣泛。
4優化設計
經過對dbb、dib－1和dib－2閥座結構的分析和研究，對大口徑管線固定球球閥的閥座結構進行了優化設計。新閥座為雙向雙重密封，介質單向流動，進出口端雙重密封（四重密封），初級閥座和次級閥座共用一個閥座支撐座，兩個閥座相鄰，結構簡單，密封可靠，零件受力良好，確保閥座0泄漏，增加了閥座密封壽命（圖5）。
圖5優化閥座（dib－2）
5密封比壓及操作力矩的計算與驗證
為了保證閥座的密封性能和使用壽命，對閥座的密封比壓和操作扭矩進行了嚴格的計算與驗證。結果證明，優化后閥座結構更合理，設計比壓和閥門操作扭矩符合苛刻工況要求。
（1）密封比壓
閥座為雙阻塞與泄壓結構，為閥座閥前密封，其密封比壓q為
（1）
式中p———設計壓力；mpa
d1———雙阻塞與泄壓結構的閥座支承座的外徑，mm
d2———雙隔離與泄壓結構的閥座支承座的外徑，mm
d1———閥座密封面內徑，mm
d2———閥座密封面外徑，mm
［q］———密封面許用比壓，mpa
qmf———密封面必須比壓，mpa
qmf＜q＜［q］為合格。
密封結構為雙隔離與泄壓結構，為閥座閥后密封，密封比壓q為
（2）
qmf＜q＜［q］為合格。
（2）操作力矩
密封結構為雙阻塞與泄壓結構，為閥座閥前密封，球閥處于關閉狀態時，承受工作壓力zui大，開啟瞬間操作扭矩zui大，zui大扭矩m為
m=mm+mt+m0+mu+mc（3）
式中mm———球體與閥座間的摩擦轉矩，n•mm
mt———閥桿與填料間的摩擦轉矩，n•mm
mo———閥桿與o形圈間的摩擦轉矩，n•mm
mu———閥桿臺肩與止推墊片間的摩擦轉矩，n•mm
mc———軸承的摩擦轉矩，n•mm
ut、uo、u1、uc———相應材料的摩擦系數
r———球體半徑，mm
φ———閥座密封面法向與流道中心線的夾角，（°）
z———閥桿處填料的數量
h———閥桿處填料的高度，mm
df、dt———閥桿直徑及閥桿臺肩的外徑，mm
d0———閥桿處o形圈的直徑，mm
密封結構為雙隔離與泄壓結構，為閥座閥后密封，球閥處于關閉狀態時，承受工作壓力zui大，開啟瞬間操作扭矩zui大，zui大扭矩m為
m=mm+mt+mo+mu+mc
6結語
輸送天然氣管線采用優化閥座的大口徑固定球球閥（nps56（dn1400），壓力等級class600（pn10.0mpa）），實現了雙向密封和閥座0泄漏，滿足了石油天然氣長輸管線的技術要求。
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2閥座結構
根據api6d標準提出的雙阻塞與泄壓（dbb）和雙隔離與泄壓（dib－1和dib－2）的閥座結構原理，閥座結構有單活塞效應、雙活塞效應和組合型3種。
（1）雙阻塞與泄壓閥座
雙阻塞與泄壓閥座（dbb）即單活塞效應閥座是自泄壓閥座結構，介質進口端和出口端閥座結構一致，它是閥前閥座密封原理，介質可以雙向流動。dbb閥座有雙密封閥座（圖1）和單密封閥座（圖2）兩種結構。雙密封閥座是由兩個能夠單獨實現閥座密封的非金屬材料組合而成，在介質壓力作用下，初級閥座支撐座上產生的△a1環形面積差的壓力加上彈簧力，確保初級閥座和球體形成密封副。
當初級閥座密封失效后，介質通過初級閥座到達次級閥座，在次級閥座支撐座上產生的△a1'環形面積差的壓力加上彈簧力，確保次級閥座和球體形成密封副。這種閥座結構能夠在閥腔內的介質壓力達到公稱壓力的1.33倍時，推開介質出口端次級閥座支撐座，使介質壓力到達初級閥座，介質再推開介質出口端初級閥座支撐座，使閥門的介質壓力泄放到出口端，保障了閥門體腔內壓力不過載。
1.初級閥座支撐座2.初級閥座（尼龍）
3.次級閥座（氟橡膠）4.次級閥座支撐座5.球體
圖1雙密封的雙阻塞與泄壓閥座（dbb）
（2）雙隔離與泄壓閥座
雙隔離與泄壓閥座（dib－1）即雙活塞效應閥座，介質進口端和出口端閥座結構一致，其閥前閥座和閥后閥座都能夠實現密封，介質可以雙向流動。dib－1閥座有雙密封閥座（圖3）和單密封閥座（圖4）兩種結構。雙密封閥座由兩個能夠單獨實現閥座密封的非金屬材料組合而成。在介質進口端，初級閥座支撐座上產生的△a1環形面積差的壓力加上彈簧力，確保初級閥座和球體形成密封副。當初級閥座密封失效后，介質通過初級閥座到達次級閥座，在次級閥座支撐座上產生的△a1'環形面積差的壓力加上彈簧力，確保次級閥座和球體形成密封副。當進口端雙重閥座密封全部失效后，介質進入閥腔，到達出口端閥座，在次級閥座支撐座上產生的△a2環形面積差的壓力加上彈簧力，確保次級閥座和球體形成密封副。當次級閥座密封失效，介質壓力到達出口端初級閥座，介質推開初級閥座支撐座，介質進入出口端，不能形成密封副。所以，雙密封閥座在出口端僅為一重閥座密封，是三重閥座密封。由于雙活塞效應閥座在閥腔異常升壓時，進出口兩端次級閥座都能夠與球體形成密封副，所以體腔內超標的介質壓力不能泄放，不具備閥腔自泄壓功能。因此，閥門需要在閥體上安裝自動泄壓閥，在閥腔壓力達到公稱壓力的1.33倍時，可通過自動泄壓閥釋放閥腔內過高壓力。
圖2單密封的的雙阻塞與泄壓閥座（dbb）
（3）組合的雙隔離與泄壓閥座
組合的雙隔離與泄壓閥座（dib－2）是結合雙阻塞與泄壓和雙隔離與泄壓結構的優點，介質進口端使用dbb閥座，介質出口端采用dib－1閥座。組合的雙隔離與泄壓閥座為介質單向流動，進出口兩端雙向密封。dib－2結構是三重閥座密封。當體腔壓力達到公稱壓力的1.33倍時，體腔內介質推開進口端次級閥座支撐座和初級閥座支撐座脫離球體，閥腔內的壓力向介質進口端自動泄放，確保閥門安全。
3分析
（1）dbb閥座的主要優點是自泄壓，介質未排放到閥門外，不會增加石油和天然氣等易燃易爆介質泄漏造成的危害。但是，單密封閥座僅為進口端一重密封，雙密封閥座也僅僅為進口端二重密封。雖然閥座密封可以達到0泄漏，但很難滿足長輸管道苛刻工況的要求。
（2）dib－1閥座密封壽命長，基本滿足長輸管道的苛刻工況。但dib－1閥座的閥腔不具備自泄壓功能，需要在閥體上安裝自泄壓安全閥，增加了閥門的泄漏點。如果泄壓安全閥失效，閥腔異常升壓帶來的危險無法預估。一般來說，在石油和天然氣長輸管道上使用較少。
圖3雙密封的雙隔離與泄壓閥座（dib－1）
圖4單密封的雙隔離與泄壓閥座（dib－1）
（3）dib－2閥座綜合了dbb和dib－1結構的優點，是石油和天然氣長輸管道系統中，優先選擇的閥座密封結構。dib－2閥座結構比較復雜，零件較多，造成零件尺寸精度較難控制，零件的強度和剛度較差，初級和次級閥座之間距離較大，要保證兩個閥座和球體都達到密封，要增大球體的直徑，從而增加閥門的操作扭矩和原材料成本。dib－2閥座應用不廣泛。
4優化設計
經過對dbb、dib－1和dib－2閥座結構的分析和研究，對大口徑管線固定球球閥的閥座結構進行了優化設計。新閥座為雙向雙重密封，介質單向流動，進出口端雙重密封（四重密封），初級閥座和次級閥座共用一個閥座支撐座，兩個閥座相鄰，結構簡單，密封可靠，零件受力良好，確保閥座0泄漏，增加了閥座密封壽命（圖5）。
圖5優化閥座（dib－2）
5密封比壓及操作力矩的計算與驗證
為了保證閥座的密封性能和使用壽命，對閥座的密封比壓和操作扭矩進行了嚴格的計算與驗證。結果證明，優化后閥座結構更合理，設計比壓和閥門操作扭矩符合苛刻工況要求。
（1）密封比壓
閥座為雙阻塞與泄壓結構，為閥座閥前密封，其密封比壓q為
（1）
式中p———設計壓力；mpa
d1———雙阻塞與泄壓結構的閥座支承座的外徑，mm
d2———雙隔離與泄壓結構的閥座支承座的外徑，mm
d1———閥座密封面內徑，mm
d2———閥座密封面外徑，mm
［q］———密封面許用比壓，mpa
qmf———密封面必須比壓，mpa
qmf＜q＜［q］為合格。
密封結構為雙隔離與泄壓結構，為閥座閥后密封，密封比壓q為
（2）
qmf＜q＜［q］為合格。
（2）操作力矩
密封結構為雙阻塞與泄壓結構，為閥座閥前密封，球閥處于關閉狀態時，承受工作壓力zui大，開啟瞬間操作扭矩zui大，zui大扭矩m為
m=mm+mt+m0+mu+mc（3）
式中mm———球體與閥座間的摩擦轉矩，n•mm
mt———閥桿與填料間的摩擦轉矩，n•mm
mo———閥桿與o形圈間的摩擦轉矩，n•mm
mu———閥桿臺肩與止推墊片間的摩擦轉矩，n•mm
mc———軸承的摩擦轉矩，n•mm
ut、uo、u1、uc———相應材料的摩擦系數
r———球體半徑，mm
φ———閥座密封面法向與流道中心線的夾角，（°）
z———閥桿處填料的數量
h———閥桿處填料的高度，mm
df、dt———閥桿直徑及閥桿臺肩的外徑，mm
d0———閥桿處o形圈的直徑，mm
密封結構為雙隔離與泄壓結構，為閥座閥后密封，球閥處于關閉狀態時，承受工作壓力zui大，開啟瞬間操作扭矩zui大，zui大扭矩m為
m=mm+mt+mo+mu+mc
6結語
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