為了確保球閥閥座密封達(dá)到0泄漏，根據(jù)API6D標(biāo)準(zhǔn)閥座結(jié)構(gòu)的原理，對閥門設(shè)計了多種復(fù)合型閥座結(jié)構(gòu)，本文介紹一種新型大口徑固定式電動球閥雙向密封閥座的結(jié)構(gòu)。 　　 　　1概述 　　 　　在長輸管線輸送系統(tǒng)中，對管線球閥的性能等要求相當(dāng)嚴(yán)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(dá)到0泄漏，根據(jù)API6D標(biāo)準(zhǔn)閥座結(jié)構(gòu)的原理，對閥門設(shè)計了多種復(fù)合型閥座結(jié)構(gòu)，本文介紹一種新型大口徑固定球球閥雙向密封閥座的結(jié)構(gòu)。 　　 　　2閥座結(jié)構(gòu) 　　 　　根據(jù)API6D標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)原理，閥座結(jié)構(gòu)有單活塞效應(yīng)、雙活塞效應(yīng)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(yīng)閥座是自泄壓閥座結(jié)構(gòu)，介質(zhì)進(jìn)口端和出口端閥座結(jié)構(gòu)一致，它是閥前閥座密封原理，介質(zhì)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(jié)構(gòu)。雙密封閥座是由兩個能夠單獨實現(xiàn)閥座密封的非金屬材料組合而成，在介質(zhì)壓力作用下，初級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A1環(huán)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(dāng)初級閥座密封失效后，介質(zhì)通過初級閥座到達(dá)次級閥座，在次級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A1'環(huán)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(jié)構(gòu)能夠在閥腔內(nèi)的介質(zhì)壓力達(dá)到公稱壓力的1.33倍時，推開介質(zhì)出口端次級閥座支撐座，使介質(zhì)壓力到達(dá)初級閥座，介質(zhì)再推開介質(zhì)出口端初級閥座支撐座，使閥門的介質(zhì)壓力泄放到出口端，保障了閥門體腔內(nèi)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(yīng)閥座，介質(zhì)進(jìn)口端和出口端閥座結(jié)構(gòu)一致，其閥前閥座和閥后閥座都能夠?qū)崿F(xiàn)密封，介質(zhì)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(jié)構(gòu)。雙密封閥座由兩個能夠單獨實現(xiàn)閥座密封的非金屬材料組合而成。在介質(zhì)進(jìn)口端，初級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A1環(huán)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(dāng)初級閥座密封失效后，介質(zhì)通過初級閥座到達(dá)次級閥座，在次級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A1'環(huán)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(dāng)進(jìn)口端雙重閥座密封全部失效后，介質(zhì)進(jìn)入閥腔，到達(dá)出口端閥座，在次級閥座支撐座上產(chǎn)生的△A2環(huán)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(dāng)次級閥座密封失效，介質(zhì)壓力到達(dá)出口端初級閥座，介質(zhì)推開初級閥座支撐座，介質(zhì)進(jìn)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(yīng)閥座在閥腔異常升壓時，進(jìn)出口兩端次級閥座都能夠與球體形成密封副，所以體腔內(nèi)超標(biāo)的介質(zhì)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(dá)到公稱壓力的1.33倍時，可通過自動泄壓閥釋放閥腔內(nèi)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(jié)合雙阻塞與泄壓和雙隔離與泄壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，介質(zhì)進(jìn)口端使用DBB閥座，介質(zhì)出口端采用DIB－1閥座。組合的雙隔離與泄壓閥座為介質(zhì)單向流動，進(jìn)出口兩端雙向密封。DIB－2結(jié)構(gòu)是三重閥座密封。當(dāng)體腔壓力達(dá)到公稱壓力的1.33倍時，體腔內(nèi)介質(zhì)推開進(jìn)口端次級閥座支撐座和初級閥座支撐座脫離球體，閥腔內(nèi)的壓力向介質(zhì)進(jìn)口端自動泄放，確保閥門安全。 　　 　　3分析 　　 　　（1）DBB閥座的主要優(yōu)點是自泄壓，介質(zhì)未排放到閥門外，不會增加石油和天然氣等易燃易爆介質(zhì)泄漏造成的危害。但是，單密封閥座僅為進(jìn)口端一重密封，雙密封閥座也僅僅為進(jìn)口端二重密封。雖然閥座密封可以達(dá)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(yù)估。一般來說，在石油和天然氣長輸管道上使用較少。 　　  　　 圖3固定式電動球閥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(jié)構(gòu)的優(yōu)點，是石油和天然氣長輸管道系統(tǒng)中，優(yōu)先選擇的閥座密封結(jié)構(gòu)。DIB－2閥座結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(dá)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(yīng)用不廣泛。 　　 　　4優(yōu)化設(shè)計 　　 　　經(jīng)過對DBB、DIB－1和DIB－2閥座結(jié)構(gòu)的分析和研究，對大口徑管線固定球球閥的閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。新閥座為雙向雙重密封，介質(zhì)單向流動，進(jìn)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(jìn)行了嚴(yán)格的計算與驗證。結(jié)果證明，優(yōu)化后閥座結(jié)構(gòu)更合理，設(shè)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(jié)構(gòu)，為閥座閥前密封，其密封比壓q為 　　 　　（1） 　　 　　式中P———設(shè)計壓力；MPa 　　 　　d1———雙阻塞與泄壓結(jié)構(gòu)的閥座支承座的外徑，mm 　　 　　d2———雙隔離與泄壓結(jié)構(gòu)的閥座支承座的外徑，mm 　　 　　D1———閥座密封面內(nèi)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(jié)構(gòu)為雙隔離與泄壓結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)為雙阻塞與泄壓結(jié)構(gòu)，為閥座閥前密封，球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，承受工作壓力最大，開啟瞬間操作扭矩最大，最大扭矩M為 　　 　　M=Mm+Mt+M0+Mu+Mc（3） 　　 　　         式中Mm———球體與閥座間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N•mm 　　 　　Mt———閥桿與填料間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N•mm 　　 　　MO———閥桿與O形圈間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N•mm 　　 　　Mu———閥桿臺肩與止推墊片間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N•mm 　　 　　Mc———軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩，N•mm 　　 　　uT、uo、u1、uc———相應(yīng)材料的摩擦系數(shù) 　　 　　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(shù)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(jié)構(gòu)為雙隔離與泄壓結(jié)構(gòu)，為閥座閥后密封，球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，承受工作壓力最大，開啟瞬間操作扭矩最大，最大扭矩M為 　　 　　M=Mm+Mt+MO+Mu+Mc 　　 　　6結(jié)語 　　 　　輸送天然氣管線采用優(yōu)化閥座的大口徑固定球球閥（NPS56（DN1400），壓力等級Class600（PN10.0MPa）），實現(xiàn)了雙向密封和閥座0泄漏，固定式電動球閥滿足了石油天然氣長輸管線的技術(shù)要