大口徑全焊接球閥雙向密封性能研究

李茜璐，李 理，成琳琳，余 成，韓傳軍

（1.西南油氣田分公司集輸工程技術(shù)研究所,四川 成都 610041；2.成都工業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院,四川 成都 611700；3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川 成都 610500）

運(yùn)輸有毒或可燃性氣體的管道泄漏易導(dǎo)致起火、爆炸等災(zāi)難性后果。全焊接球閥因無外泄漏、耐高溫高壓、耐腐蝕、質(zhì)量較輕、便于運(yùn)輸和安裝等優(yōu)點(diǎn)，在礦山、石油、化工、電力、制藥、食品等行業(yè)的氣體輸運(yùn)管線上得到了廣泛運(yùn)用[1-3]。根據(jù)使用工況不同，在溫度、壓力、腐蝕等多因素影響下，全焊接球閥閥座與球體之間的接觸密封區(qū)域易出現(xiàn)密封失效導(dǎo)致泄漏[4]。焊接球閥一旦加工完成，其內(nèi)部密封組件均不可更換，而且橡膠密封圈均要經(jīng)受殼體高溫焊接的考驗(yàn)，因此，一旦密封組件損壞或不能滿足要求，整個(gè)球閥就將報(bào)廢。為此，在不同工況下開展球閥密封性能研究對(duì)球閥的設(shè)計(jì)、應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

學(xué)者們對(duì)全焊接球閥的密封展開了研究。李樹勛等[5]對(duì)用于天然氣長輸管線的全焊接球閥的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了雙活塞效應(yīng)閥座、雙重密封以及緊急救護(hù)3 種密封結(jié)構(gòu)。雷吉平等[6]基于ANSYS 軟件對(duì)一種新型雙向硬密封旋球閥的密封性能進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該球閥具有零泄漏的優(yōu)點(diǎn)。肖翰等[7]設(shè)計(jì)了一種可用于石油、天然氣輸送管道的整體式雙向密封閥座的全焊接球閥。李清等[8]采用有限元仿真方法對(duì)用于深海環(huán)境的球閥閥座的密封比壓與變形進(jìn)行了研究。郝偉沙等[9]對(duì)用于超低溫液化天然氣的球閥的失效因素進(jìn)行了研究，對(duì)后續(xù)的設(shè)計(jì)和使用提供了參考。吳業(yè)飛等[10]對(duì)用于液化天然氣的球閥密封性能進(jìn)行了分析，對(duì)低溫球閥密封的設(shè)計(jì)提出了建議。Awad 等[11]通過MATLAB 軟件模擬了球閥密封系統(tǒng)壓力波動(dòng)變化，確定了密封穩(wěn)定運(yùn)行的最佳條件。Peng 等[12]考慮塑性效應(yīng)對(duì)不同壓力下球閥接觸力學(xué)的影響，進(jìn)行了泄漏量建模計(jì)算，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。這些研究大多集中在閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，對(duì)不同工況下，尤其是高壓和低壓下的密封性能與力學(xué)特性的探討相對(duì)較少。因此，本文研究了在17.1 MPa 的高壓密封試驗(yàn)和0.6 MPa 的低壓密封試驗(yàn)工況下全焊接球閥密封結(jié)構(gòu)組件的等效應(yīng)力、接觸壓力以及變形分布的變化，并分析了正向密封和反向密封時(shí)球閥的密封性能。

1 密封部件

40 英寸大口徑球閥可用于DN1000 的天然氣長輸管道或站場(chǎng)控制，閥體和球體材料均采用A350 低溫鋼鍛件制造。由于其為焊接結(jié)構(gòu)，焊接后密封組件不能更換，因此，密封結(jié)構(gòu)的性能尤其重要。球閥密封組件由球體、閥座、保護(hù)墊以及閥座支撐圈等組成。閥座起密封作用，保護(hù)墊對(duì)閥座進(jìn)行緩沖保護(hù)。球閥密封組件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且所有組件均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度，本文僅對(duì)密封組件的二維模型進(jìn)行分析，如圖1、圖2 所示。在球閥密封過程中，當(dāng)流道有流體壓力，中腔無壓力時(shí)，球閥可進(jìn)行正向密封；當(dāng)流道無流體壓力，中腔有壓力時(shí)，球閥可進(jìn)行反向密封。根據(jù)密封理論與力的平衡原理，密封能否成功由閥座密封圈與球體接觸密封面上的接觸壓力與介質(zhì)壓力的大小決定：若密封面上有一定區(qū)域的接觸壓力大于介質(zhì)壓力，則密封成功；反之則未能實(shí)現(xiàn)密封[13]。

圖1 全焊接球閥幾何結(jié)構(gòu)

圖2 球閥密封組件接觸對(duì)

研究前作如下假設(shè)[14]：1)材料具有確定的彈性模量和泊松比；2)材料的拉伸與壓縮蠕變性質(zhì)相同；3)蠕變不引起體積變化；4)忽略介質(zhì)壓力溫度變化對(duì)密封圈的影響。

閥座密封圈為氫化丁腈橡膠材料（HNBR），保護(hù)墊為尼龍材料。Mooney-Revlin 模型能夠很好地描述橡膠材料在150%以內(nèi)的變形，在小變形范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性[15]。因球閥壓縮量小于150%，因而，采用Mooney-Revlin 模型描述閥座與保護(hù)墊力學(xué)性能，其表達(dá)式[16]為

式中：W為應(yīng)變勢(shì)能；C10和C01為Mooey-Revlin 模型材料系數(shù)；I1和I2為第1、第2 應(yīng)變張量不變量。

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為

閥座的密度為1 200 kg/m3，保護(hù)墊的密度為1 150 kg/m3，C10和C01分別取2.79 MPa 和0.7 MPa。球體和閥座支撐圈材料參數(shù)如表1 所示。

表1 球體和閥座支撐圈材料參數(shù)

2 計(jì)算模型

由于球閥接觸密封分析中涉及橡膠材料與接觸分析，受力情況比較復(fù)雜，故采用四節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)接觸對(duì)區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，球體和閥座支撐圈網(wǎng)格單元數(shù)為5 015 個(gè)，閥座密封圈與保護(hù)墊網(wǎng)格單元為2 811 個(gè)。因閥座支撐圈和閥座為圍繞管道軸線的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故將其簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱平面模型。采用罰單元法模擬面與面之間的接觸，建立閥座密封圈與閥座支撐圈、保護(hù)墊與閥座支撐圈、閥座密封圈與球體、保護(hù)墊與球體4 個(gè)接觸對(duì)，初始摩擦因數(shù)為0.2，載荷和約束施加如圖3 所示。

圖3 球閥密封組件有限元模型

3 結(jié)果分析

3.1 等效應(yīng)力

圖4 為高壓、低壓2 種密封工況下全焊接球閥正、反向密封時(shí)密封組件的等效應(yīng)力云圖。由圖可知：在17.1 MPa 高壓密封工況下，正向密封時(shí)，與閥座密封圈右上接觸尖角處的閥座支撐圈應(yīng)力最大，約為211 MPa，反向密封時(shí)，與閥座左下接觸圓弧角位置處的閥座支撐圈應(yīng)力最大，約為229 MPa，當(dāng)球閥進(jìn)行反向密封時(shí)，等效應(yīng)力略大，但均小于閥座支撐圈的屈服應(yīng)力415 MPa，不會(huì)發(fā)生屈服變形；在0.6 MPa 低壓密封工況下，正向密封時(shí)，與閥座密封圈右上接觸尖角處的閥座支撐圈應(yīng)力最大，約為6.5 MPa，反向密封時(shí)，與閥座密封圈左下接觸圓弧角位置處的閥座支撐圈應(yīng)力最大，約為6.9 MPa。在高壓、低壓2 種密封工況下，等效應(yīng)力均小于閥座支撐圈的屈服應(yīng)力415 MPa，不會(huì)發(fā)生屈服變形。

圖4 球閥密封組件等效應(yīng)力云圖

高壓密封工況下正、反向密封時(shí)，密封圈等效應(yīng)力云圖如圖5 所示。由圖可知：在正、反向接觸密封過程中，密封圈下端受到球體擠壓，在與閥座支撐圈2 個(gè)尖角接觸位置出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域；正向密封時(shí)，右上角接觸位置應(yīng)力較大，最大Mises 應(yīng)力約23 MPa；反向密封時(shí)，2 個(gè)尖角位置均出現(xiàn)了高應(yīng)力值，最大值約28.2 MPa。因此，可通過增大閥座支撐圈與密封圈接觸位置的尖角來改善閥座的受力，建議將尖角位置的倒角半徑由0.5 mm，增加到1 mm，以此降低密封圈的應(yīng)力來延長其使用壽命，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后最大應(yīng)力降低幅度約15%。

圖5 17.1 MPa 高壓密封時(shí)閥座密封圈等效應(yīng)力云圖

3.2 接觸壓力

圖6 為高壓、低壓2 種密封工況下全焊接球閥正、反向密封時(shí)密封組件的接觸壓力云圖。在17.1 MPa 高壓密封工況下，正向密封與反向密封的最大接觸壓力均出現(xiàn)在閥座密封圈右上側(cè)與閥座支撐圈的尖角接觸區(qū)域，最大值分別約為151 MPa和155 MPa；在閥座密封圈與球體的接觸面上接觸壓力較大，且大于介質(zhì)壓力17.1 MPa，起主要密封作用，在保護(hù)墊與球體的接觸位置接觸應(yīng)力較小，其對(duì)閥座密封圈起保護(hù)作用。在0.6 MPa 低壓密封工況下，正向密封與反向密封過程中閥座密封圈與球體接觸區(qū)域的接觸壓力均大于介質(zhì)壓力0.6 MPa，起密封作用，此時(shí)保護(hù)墊與球體還未接觸。

圖6 球閥密封組件接觸壓力

在密封過程中，起主密封作用的閥座密封圈與球體接觸面上的接觸壓力是判斷球閥密封性能的關(guān)鍵，因此，應(yīng)對(duì)其接觸壓力展開定量分析。由圖7（a）可知，在17.1 MPa 高壓密封工況下，無論是正向密封還是反向密封，閥座密封圈與球體接觸面上的接觸壓力均較大，均大于17.1 MPa，平均接觸壓力分別約為29 MPa 和34 MPa，可保證閥座與球體之間的良好密封。由圖7（b）可知，在0.6 MPa 低壓密封工況下，正向、反向密封時(shí)，閥座密封圈與球體接觸面上的接觸壓力大于0.6 MPa，閥座依然能實(shí)現(xiàn)較好密封，但在低壓密封工況下，正向、反向密封時(shí)接觸區(qū)域明顯減小，且在接觸面上接觸壓力分布存在較大的波動(dòng)；因此，在使用過程中需確保介質(zhì)工作壓力大于設(shè)計(jì)壓力，過低的介質(zhì)壓力會(huì)降低其密封性能。

圖7 閥座與球體的接觸壓力

3.3 變形

圖8 為高壓、低壓2 種工況下正、反向密封時(shí)密封組件的變形云圖。由圖可知：無論是高壓密封還是低壓密封，正向密封和反向密封的最大變形均發(fā)生在與閥座支撐圈右上尖角接觸的閥座密封圈上；高壓密封時(shí)閥座密封圈的最大變形量均約為3 mm，此時(shí)閥座密封圈與球體接觸面的法向壓縮變形量分別約為1.03 mm 和0.95 mm；低壓密封時(shí)閥座密封圈的最大變形量分別約為0.78 mm 和0.80 mm，此時(shí)閥座密封圈與球體接觸面的法向壓縮變形量分別約為0.39 mm 和0.38 mm。低壓密封時(shí)，閥座密封圈接觸區(qū)域變小，應(yīng)確保介質(zhì)工作壓力大于設(shè)計(jì)壓力，保證其密封性能。

圖8 球閥密封組件變形云圖

4 結(jié)論

1）在探討的壓力范圍內(nèi)：正向密封時(shí)，高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在與閥座密封圈右上接觸尖角處的閥座支撐圈上；反向密封時(shí)，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在與閥座密封圈接觸左下圓弧角位置處的閥座支撐圈上；均小于閥座支撐圈的屈服強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生屈服變形。

2）在高壓密封工況下，不論是正向或者反向密封，密封圈的最高應(yīng)力均出現(xiàn)在與閥座支撐圈接觸的2 個(gè)尖角位置。正向密封時(shí)，右上角接觸位置應(yīng)力較大；反向密封時(shí)，2 個(gè)尖角位置均出現(xiàn)了高應(yīng)力值。因此，可通過增大閥座支撐圈尖角處的倒角尺寸來改善其受力和變形，降低其失效概率。

3）無論是正向還是反向密封，高壓工況下閥座密封圈與球體的接觸壓力均大于介質(zhì)壓力，球閥能實(shí)現(xiàn)良好密封。低壓密封工況時(shí)，接觸區(qū)域的接觸壓力也大于介質(zhì)壓力，但接觸區(qū)域變小，且在接觸面上接觸壓力分布存在較大的波動(dòng)。因此，需確保介質(zhì)工作壓力大于設(shè)計(jì)壓力，防止過低的介質(zhì)壓力降低其密封性能。

雖然本文分析了靜壓下球閥密封組件的密封能力，但密封組件的損壞往往是在球閥開閉的過程中由過高的摩擦力導(dǎo)致；因此，有必要對(duì)球體旋轉(zhuǎn)造成的密封件變形及磨損等情況開展進(jìn)一步的研究。