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API 6A井口暗杆闸阀设计与计算

来源: 上海阀门 时间: 2012-05-03 点击: 6,539

1.前言

API 6A井口暗杆闸阀是海上、陆地石油天然气钻采和生产的系统重要部件,对石化行业的发展起着举足轻重的作用。目前能源短缺促使世界各国都加大石油天然气勘探、开发力度。我国为了确保能源安全、满足国民经济日益增长的需要,近年来在石油及化工工业上的投资更是大幅上升,特别是海上油气田勘探开发、天然气的勘探开发。从而增大石油钻采设备的需求,促进我国石油钻采设备制造业的发展。但是,由于API 6A井口暗杆闸阀在设计和制造技术上与国外仍有较大的差距,高质量或关键部位的阀门一直依赖进口。当今世界APl 6A井口暗杆闸阀居领先地位的是美国喀麦隆公司的井口阀,在借鉴喀麦隆公司井口暗杆闸阀技术的基础上,设计出API 6A井口暗杆闸阀。

2.结构特点

API 6A井口暗杆闸阀(参见图1)主要由阀体、阀座、闸板、阀杆、波纹弹簧、阀盖、填料、轴承、轴承支架、压帽、手轮等零部件组成,如图1所示。阀杆轴向由轴承支架和轴承定位,阀杆下端由梯形螺纹与闸板相连接。

API 6A井口暗杆闸阀结构

2.1 整体式闸板结构

采用整体式闸板结构,可防止管线中的沉淀物进入阀体内腔。并在闸板上开有圆形导流孔,孔径与阀座及管道的通径一致。在阀门全开启时,流体流过的阻力最小。由于流畅的、无间断的导流,免除产生紊流,与流过相同通径的管道相比,压降并不增加,这对注气流程的节能是有利的,阀门全开启时,闸板所具有的全通径的特点,使井下工具、仪器通过时,不发生挂卡,阀的密封面避免受损伤,又免受介质流速的冲蚀。在阀全开时,闸板与阀座始终贴合,阻断了脏物进入阀腔的通道,并能起到清扫密封面的作用,使密封面不易附着稠油中的磨砺性砂粒。

2.2 浮动阀座结构

浮动阀座结构设计,阀座与闸板组成的密封副能否有效的密封,很大程度上取决于阀座能否浮动,阀座浮动是指阀座对闸板的轴向浮动以及阀座对阀体的径向浮动,浮动量(即间隙)要大于材料的热膨胀量,以防止实际工作时产生阀座与阀体之间的擦伤,以及防止阀座被卡死在阀体上,但要注意预留的径向间隙不能过大,过大会影响闸板与阀座密封面的贴合度,采用图2所示的结构,在阀座与阀体之间设置一个具有伸缩补偿性能高的波纹弹簧,这是一种非常实用的结构,它既能使阀座实现轴向浮动,又能实现径向浮动,保证工作时阀座不被卡死,而且仍能使阀座与密封面的贴合得以保证,使阀座带有预紧力,从而使阀座和闸板间在低压力时也可以保持良好的密封性能。

浮动阀座结构

2.3 止推轴承

阀杆螺母采用高承载能力的2个止推轴承用来吸收闸板开启和关闭时的载荷,从而将操作手轮的转矩降至最低。

2.4 导向板

在阀座上装有能容纳闸板的导向板,导向板的采用,排除了闸板歪斜的可能性。

2.5 暗杆式阀杆结构

阀杆采用暗杆式结构,这样可以保证阀门作业时不会导致内腔压力的上升并且不会转移内腔里装填的润滑脂。

2.6 洞滑脂注塑接头

本体填充物润滑脂是通过单一的注塑来实现的,金属对金属密封,润滑脂接头位于阀杆后座的下游侧面起到安全作用,该运用便于针对阀体内腔进行所有必要的润滑处理。

2.7 密封副表面硬化处理

阀座和闸板采用膨胀系数相同或相近的材料,这对密封副的表面采用喷焊镍基合金粉,具有良好的抗腐蚀、抗擦伤性能。

3.工作原理

API 6A井口暗杆闸阀通过扳动手轮来转动阀杆,由阀杆与闸板间的梯形螺纹传动副来实现闸板的上下运动,从而操作阀门的开和关。阀座均采用浮动对称结构。在全开状态时,进出口压力相等,阀座与阀体问的波纹弹簧能使闸板和阀座自动回正。在全关状态下,高压介质将闸板推向出口端使阀座形成密封。同时入口端阀座在高压介质和弹簧推力的共同作用下,被推向闸板并达到必须的密封比压,实现密封。

4.设计计算

4.1 壳体强度

考虑到井口装置在正常生产情况下,其压力是相对稳定的压力,也就是筒体内所承受的是变化缓慢的压力,故将其视为静载荷。

闸阀的结构如图l所示,其计算公式选用高压容器厚壁圆筒强度理论计算,无外压力,受力情况如图3所示。

浮动阀座结构

按照ASME锅炉和压力容器规范第Ⅷ卷第2册附录4所叙述的设计方法,可用于承压装置的设计计算,设计许用应力按下式确定:

式中:ST——静水压试验压力下的最大许用主膜应力强度,MPa;

SY——材料规定的最小屈服强度,MPa。

分别计算I—I截面和Ⅱ—Ⅱ截面的径向应力及切向应力,计算公式如下:

式中:σr——径向应力,MPa;

P——工作压力,MPa;

R2——阀体外圆半径,mm;

K——管径比,K=R2/R1

r=R1(考虑到该处承受应力最大);

R1——阀体内孔半径,mm。

式中:σt——切向应力,MPa。

根据上述公式的计算结果(计算结果如为负值则表明该处为压应力),其最薄弱截面的径向应力σr和切向应力σt均小于许用应力[σ]为合格。

4.2 阀板厚度校核

按周边自由支持,受均布载荷的圆形薄板公式计算如下:

式中:SB——闸板厚度,mm;

μ——材料的泊松比;

Dcp——密封面平均直径,mm;

P——工作压力,MPa;

ω)——材料的许用弯曲应力,按下式求得,MPa。

式中:SY——材料的屈服强度值,MPa;

ns——安全系数通常取2~2.3,在计算中ns=2.3。

未完,待续……

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