管道球阀密封原理及泄漏分析p.pdf

第 2 5卷第 3期 油气储运 管道球阀密封原理及泄漏分析 高慧 侯晓辉 中国石油管道公司廊坊油气储运分公司 高慧侯晓辉 管道球阀密封原理及泄漏分析 ， 油气储运 ， 2 0 0 6 ， 2 5 3 5 7 --6 0 。 摘 要 针对 目前石油化工和天然气管道输送行业应用最多的管道球 阀进行分析研 究， 从各 种密封的结构入手， 比较了不同厂家不同形式密封结构球阀的密封原理及其在工作中的受力情况， 分析了管道球阀泄漏原因， 提 出了管道球阀选型建议和球阀泄漏处理措施。 主题词 球阀 密封机理 泄漏 研 究 种整体焊接型阀门， 在国内管道上应用较少。 一 、管道球阀构造 管道球阀一般是 由一个经锻造 根据压力 等级 和用户要求可以采用铸造 的阀体、 由精密抛光处理 的球体、 用于定位密封座 圈的两个 端盖 密封座 圈 座 、 两个密封座圈、 一个球体驱动杆和一个 固定式 支撑轴以及其它附件组成 见图 1 。按阀门与管道 的连接形式分为法兰连接 和焊接两种， 按阀端 盖和 阀体的连接形式又可分为螺栓连接球 阀和焊接球 阀。将 阀端盖和阀体焊接在一起的阀门密封座密封 损坏后很难维修， 在达到规定开关操作次数后就要 更换整个阀f - j 。C AME R ON T 3 1 、 T 3 2 、 T3 3即为这 的 阀 接 球体驱动杆 阀体 端盖 球体 密封座圈 固定式支撑轴 图 1 固定式 管道球 阀结构示意图 式中 C油的比热； p油的密度； D管内径 ， mm。 设 k C p D ，自定义为停输时间修正系数 。 ‘ 士 1 在不同的地温情况下， 使用大量的停输数据反 算出了 k ， 结果见表 1 。 裹 1 仪金输油管道 七 的取值反算结果 序号 序号 k 1 8 ～ 11 45 ．6 7 4 1 7～ 2 1 4 0． 12 2 1 2～ 1 4 45 ．3 9 5 2 2～ 2 5 3 8． 8O 3 1 5～ 1 6 40 ．7 4 6 2 6～ 2 8 4 8． 8O 对于长期处于不饱和输送工况下运行的热油管 道 ， 如何合理地确定管道的总传热系数 K ， 应根据 管道实际运行情况 ， 利用大量 的停输数据反算管道 总传热系数 K 值来确定。 参考文 献 1 ， 杨筱蘅等 输油管道设计与原理， 石油大学出版社 山东 。 1 9 9 6 。 2 。 蒲 家 宁 长输 管道 运 行优 化 的 分析 与 计算 ， 油 气 储运 ， 1 9 9 2 ， 1 1 1 。 3 ， 董正远 等 原油热输管道 的最优 运行模 型 。 西安 石油学 院学报 ， 1 99 6 ， 1 1 5 。 收稿 日期 2 0 0 5 0 4 0 7 编辑 吕 彦 *0 6 5 0 0 0 ， 河北省廊坊市华苑小区 1 7号楼办公 区 9单元 电话 0 2 1 5 8 8 4 8 1 9 6 维普资讯 5 8 油气储运 二 ， 管道球阀经典密封原理 规格为 3 0 4 ． 8 m m以上的管道球阀多采用球体 用固定轴支撑和弹簧加载 的浮动密封座 圈结构， 利 用“ 活塞效应” 原理， 在关闭压差 的作用下 ， 保持严密 密封的结构原理 见图 2 。“ 活塞效应” 和弹簧加载 的浮动座圈密封结构， 可以在较 高的温度和较大的 压差范围内使密封座圈始终与球体保持紧密贴合， 达到零泄漏的密封 目的。另外 ， 固定球 、 浮动 阀座结 构在最大压差情况下具有较小的操作扭矩。 上游 ． 管道压力高 f 于腔体压力 ＼ 二 宴鳖 1 f l I A，一 A．X L 球 A 下游 ￡ 腔体压力高 于管道压力 图 2 活塞效应密封原理 1 、 密封原理 “ 活塞效应” 原理可以使管道介质压力作用在面 积不同的环面上 ， 浮动密封座上承受的作 用力大于 反作用力 ， 从而产生一个正 向压差 X。正是这个压 差确保 了上下游密封座圈始终 紧贴在球体两边 ， 实 现了双向控制流体介质泄漏的 目标 。 2 、 最小操作扭矩原理 密封与球体 的贴紧力取决于受力环面的面积差 X 和加载弹簧的刚度 ， 在设计时需要综合考虑可 靠密封和最大操作扭矩的关系， 这也是不同制造商 生产的同规格阀门操作扭矩与密封可靠性产生差异 的主要原因。此外 ， 固定球阀的球体用固定轴支撑 ， 消除了因单侧操作压力使球体与密封座之间产生很 大的密封负荷 。球体支撑轴经精密加工， 具有高光 洁度 ， 并配以具有 自润滑材料的衬套 也称做轴瓦 ， 有效减小 了摩擦阻力。基于以上结构原理 ， 固定球 球阀即使在单侧受 压的情 况下也有最 小 的操作扭 矩。但由于机械加工精度和装配质量问题 ， 支撑轴 与衬套的材料选择对操作扭矩的影响非常大。 三、 几种管道球阀的比较 1 、 GR OV E B系列管道球 阀 GR OVE B系列管道球阀的密封座圈是 由两个 环状零件组合在一起 的， 这种组合结构便 于在 密封 圈损坏或失效时更换。根据不 同的应用场合 ， 在密 封座圈上安放不同的 0形软密封圈， 其 中主密封圈 的截面不一定是 0形 ， 而是近似三角形 的 ， 以利于 固定密封圈。另外， 规格为 3 0 4 ． 8 mm 以上 的管道 球 阀都设置了用于紧急密封的密封剂加注 口， 其作 用是在主密封圈有轻微划伤等损坏而不能密封 的情 况下 ， 能采取临时的紧急补救措施。 图 3是 G ROVE B 8球 阀的密封结构 。阀门在 安装时如果管道 内杂物未清除净 ， 遗 留的沙砾或焊 渣会通过球体和密封座圈之间的缝隙进入到主密封 圈处 ， 使用 中有可能降低密封性或者划伤球体表面， 导致不能完全密封而出现泄漏 。 图 3 G RO VE B 8球阀密封结构示意图 2 、 C A ME R ON管道球阀 C AME R ON管道球阀在密封结构设计 上有独 到之处 ， 软密封具有止回阀的功能 ， 加载弹簧为板形 弹簧 见 图 4 图 4 CA ME R ON T3 3球 阀密封结 构 C AME RO N 管道球 阀密封 同样 利用“ 活塞效 应” 原理， 通过在密封座圈不同环面面积上建立不平 衡力 ， 始终让密封与球体保持贴紧 密封负荷 ， 阻止 一 一 维普资讯 第 2 5卷第 3期 高 慧等 管道球阀密封原理及泄漏分析 了流体介质泄漏。 3 、 上 海耐 莱斯 詹姆 斯 伯雷 G 系列 管道 球阀 上海耐莱斯 詹姆斯伯雷 G系列球 阀在 国内 管道应用 广泛， 其密封原理与 GR OVE相 同， 同样 利用了“ 活塞效应” 原理 ， 但在密封结构设计上略有 不同， 其 中 G系列 K型球 阀的密封结构设计几乎与 GR OVE B型球阀完全相同。 图 5是上海耐莱斯 G系列 非 K型 管道球 阀 的密封原理图。它是标准的上游密封球 阀， 分析 阀 门上游侧密封座圈的受力状况 见图 5 a 可知 ， 密 封座圈正向受力面积 A。 大于反作用力面积 A ， 密封压差为 X， 密封座圈在密封压差 X和负载弹簧 的共同作用下 ， 密封紧紧贴合在球体上 ， 从而实现无 气泡泄漏密封。分析下游侧 密封座圈 的受力 情况 见图 5 b 可知， 密封座 圈反 向受力 面积 A 。大于 正向受力面积 A ， 即 A。 一A 一X ， 这样 ， 如果压差 Xz 大于加载弹簧的压力 ， 密封座圈将会离开球体 ， 这时腔体介质向下游泄漏 。 球 b - 图 5 上海耐莱斯 G系列 非 K型 管道球阀的受力原理 从以上分析可以看 出， 该 型阀门密封结构的优 点是 ， 当阀腔压力增高时可以向下游泄放 ， 在阀腔建 立高压后不会产生危 险， 其泄漏概率是 GR OVE球 阀的 2倍。因为始终是 阀门上游侧起 密封作用 ， 如 果上游侧密封损坏 ， 该 阀门必定泄漏无疑 。这也是 该管道球 阀在西气 东输管 道 的泄漏 率 比 GR OVE 球 阀泄漏率 高 5 O 以上的根本原 因 因为一旦 上 游密封损坏 ， 阀体压力不断增高， 下游密封即失去密 封功能 。而 G系列 K型阀门的密封结构 ， 则不会出 现这种情况 ， 它采用 了和 GR0VE几乎完 全一样 的 双向密封原理 见 图 6 。上、 下游侧密封座 圈的受 力分析见图 7 a 和图 7 b 。 图 6 上海耐莱斯 G系列 K型管道球阀的密封结构图 b 图 7 上海耐莱斯 G系列 K型 管道球阀的密封受力原理 在 G系列 K型阀门上游 ， 密封座圈正向受力面 积 A。大于反作用力 面积 A ， 总 的密封负荷 为 X 与加载弹簧的张力之和 ， 在这个合力的作用下 ， 密封 紧紧贴合在球体上 ， 从而达到无气泡泄漏的 目的。 在 G系列 K 型阀门下游 ， 如果 阀体压 力为 P， 密封座圈正向受力面积 A 仍然大于反力受力面积 A ， 则密封 负荷 为 X 与加载弹簧的张力之 和。这 维普资讯 油气储运 说明， 在下游侧， 阀体压力高于管道压力时仍然可以 使密封紧紧贴合在球体上， 实现无泄漏密封。 综上所述 ， 上海耐莱斯 G系列 K型管道球 阀阀 门比 G系列的其它阀门有较好的密封可靠性 ， 用户 应根据使用场合不 同合理选 型。否则， 将会影 响生 产安全。对 于在施工安装质量难以控制， 安装 中不 可避免地存在沙砾等异物 的场合 ， 应尽可能选 择双 向密封结构的管道球阀， 因为其可靠性比单向密封 的管道球阀高 5 O ％。 4 、 浙江特福隆集团 H P Q 固定球阀 浙江特福 隆集 团生 产 的 HP Q 固定 式球 阀和 G RO VE 、 耐莱斯有共 同特点， 在结 构上稍有 改进 ， 密封原理相 同， 见图 8 。 图 8 浙江特福隆 HP Q固定球阀密封原理 同样 ， 特福隆 HP O 固定球 阀也是利用“ 活塞效 应” 原理设计 的密封座 圈， 但相对 于 GR OVE 固定 球 阀， 两个受力面积的差 比较小， 在减小操作扭矩的 同时也降低 了密封 负荷 ， 会影 响密封可靠性。这就 需要精确计算负载弹簧 的张力与压差 的合理匹配 ， 同时各 个配 合 点 的机 械加 工 质量 对 其 密封 效 果 敏感 。 四、 球阀的泄漏原因分析及处理措施 通过对不同厂家 固定式管道球 阀的结构原理分 析研究 ， 发现其密封原理都相同 ， 均利用了“ 活塞效 应” 原理， 只是密封结构不 同。尽管原理相同 ， 但产 品质量各不相同。上述各厂家都是在国内外 阀门制 造行业 中享有一定声 誉 ， 在相关市场中 占有一席之 地的阀门制造商 。根据近几 年各用 户的反馈信 息 ， 进 口阀门可靠性还是显著高于 国产 阀f - 1 当然价格 也昂贵 ， 主要原因是各制造商对 阀门零部件的选材 不 同， 机械加工水平不同。 阀门在应用 中存在 的问题 主要表现为不 同程 度 、 不 同形式的泄漏 ， 根据密封结构原理和安装施工 质量分析 ， 造成阀门泄漏 的原因有以下几个方面。 1 阀门安装施工质量是主要原 因 在安装施 工 中不注意阀门密封面和密封座圈的保护 ， 密封面 受到损伤； 安装完工后， 对管道及阀腔吹扫不彻底、 不干净 ， 在操作 中有焊渣或沙砾卡于球体与密封座 圈之间， 导致密封失败。出现这种情况 ， 紧急时应在 上游密封面临时注射适量 的密封剂， 缓解泄漏， 但不 能彻底解决问题 ， 必要时应更换阀门密封 面和密封 座 圈 。 2 阀门机械加 工、 密封 圈材质和装配 质量原 因。阀门结构虽然简单， 但它是一个对机械加工质 量要求较高的产品 ， 其加工质量直接影响密封性能。 密封座圈与圈座的装配间隙和各个环面面积要经过 精确计算 ， 表面粗糙度要合适。另外， 软密封圈材料 的选取也非常重要， 不仅要考虑耐腐蚀和耐磨性 ， 还 应考虑其弹性和 刚度 。如果太软会影响 自洁能力 ， 太硬则容易断裂 。 3 根据应用 场合 和工况合理选型。不 同密封 性能和密封结构的阀门使用场合不 同， 只有在不同 的场合选用不 同的阀门 ， 才能获得理想的应用效果 。 以西气东输管道为例， 应尽可能地选择具有双向密 封功能的固定式管道球 阀 强制密封 的轨道球阀除 外 ， 因为其价格更贵 。这样， 一旦上游密封损坏， 下 游密封仍可起作用。如果要求绝对可靠 ， 应选择 强 制密封的轨道球阀。 4 不同密封结构 的阀门， 应用不 同的操作 、 维 护和保养方法。对于不存在泄漏 的阀门， 可 以在每 次操作前后或每 6个月在阀杆和密封剂注射 口少量 地加注一些润滑脂， 只有在已经发生泄漏或不能完 全 密封的情况下才注射适量的密封剂。因为密封剂 的粘度很大 ， 如果平常对未泄漏 阀门也加注密封剂 ， 就会影响球面 自洁效果， 往往适得其反 ， 将一些小的 沙砾等污物带入密封之间造成泄漏 。对于具有双向 密封功能的阀门， 如果现场安全条件许可 ， 应将阀腔 中的压力泄放为零 ， 有利于更好地保证密封。 收稿 日期 2 0 0 4 1 1 - 1 1 编辑 i 仇斌 维普资讯