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API 6A井口暗桿閘閥設(shè)計(jì)與計(jì)算

來源: 上海閥門 時(shí)間: 2012-05-03 點(diǎn)擊: 12,199

1.前言

API 6A井口暗桿閘閥是海上、陸地石油天然氣鉆采和生產(chǎn)的系統(tǒng)重要部件,對(duì)石化行業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。目前能源短缺促使世界各國都加大石油天然氣勘探、開發(fā)力度。我國為了確保能源安全、滿足國民經(jīng)濟(jì)日益增長的需要,近年來在石油及化工工業(yè)上的投資更是大幅上升,特別是海上油氣田勘探開發(fā)、天然氣的勘探開發(fā)。從而增大石油鉆采設(shè)備的需求,促進(jìn)我國石油鉆采設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。但是,由于API 6A井口暗桿閘閥在設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上與國外仍有較大的差距,高質(zhì)量或關(guān)鍵部位的閥門一直依賴進(jìn)口。當(dāng)今世界APl 6A井口暗桿閘閥居領(lǐng)先地位的是美國喀麥隆公司的井口閥,在借鑒喀麥隆公司井口暗桿閘閥技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出API 6A井口暗桿閘閥。

2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

API 6A井口暗桿閘閥(參見圖1)主要由閥體、閥座、閘板、閥桿、波紋彈簧、閥蓋、填料、軸承、軸承支架、壓帽、手輪等零部件組成,如圖1所示。閥桿軸向由軸承支架和軸承定位,閥桿下端由梯形螺紋與閘板相連接。

API 6A井口暗桿閘閥結(jié)構(gòu)

2.1 整體式閘板結(jié)構(gòu)

采用整體式閘板結(jié)構(gòu),可防止管線中的沉淀物進(jìn)入閥體內(nèi)腔。并在閘板上開有圓形導(dǎo)流孔,孔徑與閥座及管道的通徑一致。在閥門全開啟時(shí),流體流過的阻力最小。由于流暢的、無間斷的導(dǎo)流,免除產(chǎn)生紊流,與流過相同通徑的管道相比,壓降并不增加,這對(duì)注氣流程的節(jié)能是有利的,閥門全開啟時(shí),閘板所具有的全通徑的特點(diǎn),使井下工具、儀器通過時(shí),不發(fā)生掛卡,閥的密封面避免受損傷,又免受介質(zhì)流速的沖蝕。在閥全開時(shí),閘板與閥座始終貼合,阻斷了臟物進(jìn)入閥腔的通道,并能起到清掃密封面的作用,使密封面不易附著稠油中的磨礪性砂粒。

2.2 浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),閥座與閘板組成的密封副能否有效的密封,很大程度上取決于閥座能否浮動(dòng),閥座浮動(dòng)是指閥座對(duì)閘板的軸向浮動(dòng)以及閥座對(duì)閥體的徑向浮動(dòng),浮動(dòng)量(即間隙)要大于材料的熱膨脹量,以防止實(shí)際工作時(shí)產(chǎn)生閥座與閥體之間的擦傷,以及防止閥座被卡死在閥體上,但要注意預(yù)留的徑向間隙不能過大,過大會(huì)影響閘板與閥座密封面的貼合度,采用圖2所示的結(jié)構(gòu),在閥座與閥體之間設(shè)置一個(gè)具有伸縮補(bǔ)償性能高的波紋彈簧,這是一種非常實(shí)用的結(jié)構(gòu),它既能使閥座實(shí)現(xiàn)軸向浮動(dòng),又能實(shí)現(xiàn)徑向浮動(dòng),保證工作時(shí)閥座不被卡死,而且仍能使閥座與密封面的貼合得以保證,使閥座帶有預(yù)緊力,從而使閥座和閘板間在低壓力時(shí)也可以保持良好的密封性能。

浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)

2.3 止推軸承

閥桿螺母采用高承載能力的2個(gè)止推軸承用來吸收閘板開啟和關(guān)閉時(shí)的載荷,從而將操作手輪的轉(zhuǎn)矩降至最低。

2.4 導(dǎo)向板

在閥座上裝有能容納閘板的導(dǎo)向板,導(dǎo)向板的采用,排除了閘板歪斜的可能性。

2.5 暗桿式閥桿結(jié)構(gòu)

閥桿采用暗桿式結(jié)構(gòu),這樣可以保證閥門作業(yè)時(shí)不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)腔壓力的上升并且不會(huì)轉(zhuǎn)移內(nèi)腔里裝填的潤滑脂。

2.6 洞滑脂注塑接頭

本體填充物潤滑脂是通過單一的注塑來實(shí)現(xiàn)的,金屬對(duì)金屬密封,潤滑脂接頭位于閥桿后座的下游側(cè)面起到安全作用,該運(yùn)用便于針對(duì)閥體內(nèi)腔進(jìn)行所有必要的潤滑處理。

2.7 密封副表面硬化處理

閥座和閘板采用膨脹系數(shù)相同或相近的材料,這對(duì)密封副的表面采用噴焊鎳基合金粉,具有良好的抗腐蝕、抗擦傷性能。

3.工作原理

API 6A井口暗桿閘閥通過扳動(dòng)手輪來轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿,由閥桿與閘板間的梯形螺紋傳動(dòng)副來實(shí)現(xiàn)閘板的上下運(yùn)動(dòng),從而操作閥門的開和關(guān)。閥座均采用浮動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在全開狀態(tài)時(shí),進(jìn)出口壓力相等,閥座與閥體問的波紋彈簧能使閘板和閥座自動(dòng)回正。在全關(guān)狀態(tài)下,高壓介質(zhì)將閘板推向出口端使閥座形成密封。同時(shí)入口端閥座在高壓介質(zhì)和彈簧推力的共同作用下,被推向閘板并達(dá)到必須的密封比壓,實(shí)現(xiàn)密封。

4.設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 殼體強(qiáng)度

考慮到井口裝置在正常生產(chǎn)情況下,其壓力是相對(duì)穩(wěn)定的壓力,也就是筒體內(nèi)所承受的是變化緩慢的壓力,故將其視為靜載荷。

閘閥的結(jié)構(gòu)如圖l所示,其計(jì)算公式選用高壓容器厚壁圓筒強(qiáng)度理論計(jì)算,無外壓力,受力情況如圖3所示。

浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)

按照ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第2冊(cè)附錄4所敘述的設(shè)計(jì)方法,可用于承壓裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算,設(shè)計(jì)許用應(yīng)力按下式確定:

式中:ST——靜水壓試驗(yàn)壓力下的最大許用主膜應(yīng)力強(qiáng)度,MPa;

SY——材料規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度,MPa。

分別計(jì)算I—I截面和Ⅱ—Ⅱ截面的徑向應(yīng)力及切向應(yīng)力,計(jì)算公式如下:

式中:σr——徑向應(yīng)力,MPa;

P——工作壓力,MPa;

R2——閥體外圓半徑,mm;

K——管徑比,K=R2/R1;

r=R1(考慮到該處承受應(yīng)力最大);

R1——閥體內(nèi)孔半徑,mm。

式中:σt——切向應(yīng)力,MPa。

根據(jù)上述公式的計(jì)算結(jié)果(計(jì)算結(jié)果如為負(fù)值則表明該處為壓應(yīng)力),其最薄弱截面的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt均小于許用應(yīng)力[σ]為合格。

4.2 閥板厚度校核

按周邊自由支持,受均布載荷的圓形薄板公式計(jì)算如下:

式中:SB——閘板厚度,mm;

μ——材料的泊松比;

Dcp——密封面平均直徑,mm;

P——工作壓力,MPa;

ω)——材料的許用彎曲應(yīng)力,按下式求得,MPa。

式中:SY——材料的屈服強(qiáng)度值,MPa;

ns——安全系數(shù)通常取2~2.3,在計(jì)算中ns=2.3。

未完,待續(xù)……

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