水下球阀密封性能分析与试验研究*

杨山坡,李跟飞,张新奇,丁强伟,潘孝辉

(中国船舶集团有限公司 第七二五研究所,河南 洛阳 471000)

0 引 言

随着陆地石油资源的减少,海洋油气开发已经成为新的能源开发热点。在水下油气的开发设备中,水下阀门作为必不可少的关键设备常用在水下管汇、末端管线、采油树灯系统中,其需求量巨大。水下阀门特殊的海水环境对其提出了不同于常规阀门的新要求:高压、零泄漏灯。另外,由于水下阀门特殊的使用环境和驱动方式,因此其正常使用后,对其维护的难度相当大。因此,水下阀门要具有极高的可靠性。

水下阀门的密封性能是其可靠性的重要指标,12″2500Lb上装式水下球阀的球面密封结构为固定球体、浮动阀座式密封,球体、阀座的密封形式采用金属硬密封。笔者重点对该球阀球体与阀座的密封特性进行仿真分析,验证了设计的有效性,得出的结论可以为水下球阀的研制提供参考依据。

1 球阀主要参数及密封结构特点

1.1 主要参数

结构型式: 上装式球阀;公称通径:12in. (300 mm);设计压力:2 500Lb(42 MPa);产品等级:API 17D PSL 3G;设计水深:500 m;温度等级:U;材料等级:FF;设计寿命:20年;操作方式:遥控操作装置(ROV)/液动。

1.2 密封结构特点

该水下球阀在正常使用时除了承受介质内压外,还承受着海水外压作用。为了防止介质外漏或海水进入阀内,阀体与环境之间一般设置两道密封结构,其中金属硬密封为主密封。球体前、后都安装阀座,采用SPE(Single Piston Effect)和DPE(Double Piston Effect)的组合,水下球阀进口端为SPE,出口端为DPE,称为单-双活塞效应阀座(DIB-2型)。前、后阀座均安装在具有活塞效应的调节圈内,调节圈后的弹簧提供初始预紧力,使阀座压紧球体[1],保证密封。水下球阀结构如图1所示。

图1 水下球阀结构示意图

在球阀关闭时,前阀座承受流体介质压力和弹簧弹力的合力,使其被推向球体,与球体的接触面上产生一定的密封比压。该压力使前阀座表面发生弹塑性变形,补偿球体的加工误差,防止介质渗漏,保证密封[2-3]。若前阀座密封失效,介质将进入中腔,由于中腔与下游存在作用于后阀座的压力差,流体的介质压力也可将后阀座推向球体,和调节圈处的弹簧弹力一起使后阀座压紧球体并保持密封。

2 密封性能评价

选择合适的密封比压是保证阀门密封、寿命的关键。当球阀在预紧力状态下球体相对阀座转动时,密封副之间由于切向应力产生摩擦磨损。为了保证阀门的寿命并减小磨损,密封面的比压必须尽量小,但得保证足够密封。因此,阀门的密封必须满足以下条件:

qb

(1)

式中:qb为必须比压,MPa;q为实际比压,MPa;[q]为密封面材料的许用比压,MPa。球阀的必须密封比压公式为:

(2)

式中:qb为必须密封比压,MPa;P为介质压力,MPa;bm为密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度,mm。根据文中水下球阀的相关参数,计算得:qb=39.16 MPa。

3 计算模型

球阀的主密封结构由阀座和球体密封面组成,如图2所示。球阀通过密封面的相互挤压来阻断介质的流动通道,从而实现密封。为提高计算的精度和效率,对水下球阀的密封结构进行简化,简化原则如下:①阀体刚度极大,变形量可忽略不计,省略阀体;②球体上下由阀杆、阀盖和阀座支撑,无流体作用力,省略阀杆;③为了保证网格质量,省略对结果影响较小的倒角、螺纹孔等特征。

运用有限元分析软件ANSYS Workbench的接触分析模块,按照以上简化模型和环境参数进行分析计算,可以得到球阀中阀座与球体之间密封面的密封比压结果。为了保证计算结果的准确性,划分网格时,对阀座与球体接触面网格进行细化,计算模型网格如图3所示。

4 数值模拟计算及分析

阀座静水压试验、高压气密性试验按照API 6DSS的相关要求执行。

4.1 物性参数及边界条件

(1) 物性参数

球体材料为A182 F51+WC,阀座材料为A182 F55+WC,具体物性参数如表1所列。

表1 材料物性参数表

(2) 边界条件设置

前、后阀座的有限元分析模型如图4所示。试验时参考实际阀门密封试验时阀座、球体的受力状况,在阀座和球体上施加pressure,大小为1.1倍的公称压力,球体施加fixed support约束,密封面设置为contact,接触方式为fractional,fraction coefficient设置为0.1,前后阀座边界设置如图5所示。

图4 前、后阀座有限元计算模型 图5 前、后阀座边界条件设置

4.2 计算分析

初始状态阀门关闭,不进行压力试验时,前、后阀座与球体之间的初始密封比压计算结果如图6、7所示,密封比压约为1.5MPa。前、后阀座的开口度云图如图8、9所示,均为零,表明初始状态下阀门密封可靠。

图6 前阀座初始密封比压 图7 后阀座初始密封比压

图8 初始状态前阀座开口度云图 图9 初始状态后阀座开口度云图

试验工况时,在1.1倍额定工作压力下,仿真分析得到前后阀座的等效应力云图如图10、11所示,前、后阀座的等效应力较大的区域位于阀座背面的密封圈处,最大值分别为为310 MPa、253 MPa,远小于材料的最小屈服强度,设计可靠。

图10 46.2 MPa时前阀座等效应力云图 图11 46.2 MPa时后阀座等效应力云图

前、后阀座密封比压如图12、13所示。由图可知,前阀座、后阀座密封面的密封比压主要分布在密封面外径处,且越接近外径其值越大。前阀座密封面的大部分区域密封比压在53 MPa左右,而后阀座密封面在半径最大区域的密封比压达到50 MPa左右,其余大部分区域密封比压为17.7 MPa左右,在图13中线框处密封比压分布不均。上文计算得到的阀座必须密封比压为39.2 MPa。由此可以预测,前、后阀座的密封均可靠,且前阀座的密封性能优于后阀座。

图12 46.2 MPa时前阀座密封比压 图13 46.2 MPa时后阀座密封比压

前、后阀座密封面的开口度云图如图14、15所示。前阀座密封面开口度为零,结合密封面的密封比压分布可知,前阀座不存在密封面处的泄漏问题。后阀座在中部位置出现局部开口,但不存在贯穿现象,与后阀座密封面处的密封比压分布一致,因此,后阀座不存在密封面处的泄漏问题。

图14 46.2 MPa时前阀座开口度云图 图15 46.2 MPa后阀座时开口度云图

5 水下球阀密封试验

型式试验是验证水下球阀可靠性的重要途径。根据水下球阀的使用环境,编制型式试验大纲和具体的实施工艺,并严格按照大纲和工艺进行试验验证。试验装置为1套超高压液、气测试系统。

试验内容则按照该阀门设计标准API 6D规范内规定的阀门密封试验规范ISO 5208[4]的要求进行。在壳体静水压零泄漏的基础上,分别做阀座静水压试验、阀座高压气密性试验和阀座低压气密封试验。按标准要求阀座的静水压试验介质为加防腐剂的清水,气密性试验介质为氮气。具体试验内容如下。

5.1 阀座静水压试验

阀门处于关闭状态,两端盲板密封,分别从上、下游端进行阶梯升压至46.2 MPa,压力稳定后开始保压,保压时间为30 min,保压过程中检查阀腔处泄漏情况,并记录。静水压试验如图16所示。

图16 阀座静水压试验示意图

合格判据:每个保压过程中记录的泄漏量不应超过ISO 5208:2008的C级值(0.03×DNmm3/s)。

5.2 阀座高压气密性试验

阀座高压气密性试验按照API 6DSS B.4.3进行,由于试验压力过高,试验过程做了充分的防护措施,阀座高压气密性试验如图17所示。

图17 阀座高压气密性试验

阀门关闭,两端盲板密封,完全浸没于试验水池中,分别从上、下游端阶梯升压至46.2 MPa,压力稳定后开始保压,保压时间30 min,保压过程中通过检漏仪测量阀腔处泄漏情况,并记录下来。

合格判据:每个保压过程中记录的泄漏量不应超过ISO 5208:2008的D级值(30×D Nmm3/s)的两倍。

5.3 阀座低压气密性试验

阀座低压气密性试验按照API 6DSS 11.6进行,阀门处于关闭状态,两端密封,试验介质为氮气,阀门安全浸没在试验水池中,在上游端施加压力0.5 MPa,压力稳定后开始保压,保压时间为30 min。保压过程中,通过检漏仪检查中腔泄漏量并记录。上游端试验结束后在下游端施加压力0.5 MPa,保压30 min,并记录泄漏情况和试验结果。

合格判据:每个保压过程中记录的泄漏量不应超过ISO 5208:2008的C级值。水下球阀密封试验结果如表2所列。

表2 水下球阀密封试验结果

由表2可知,阀座的低压气密性试验泄漏量满足要求,表明阀座与球体的密封副质量可靠。阀座的静水压试验和阀座高压气密性试验结果均满足标准要求。另外,对比阀座静水压试验和高压气密性试验的试验数据与前文仿真分析结果数据,它们之间存在着一定的差异,这是因为该水下的泄漏除了阀座密封面处外,在阀座的外部圆周部分的密封圈也可能存在泄漏。

6 结 语

将水下球阀球体与阀座密封性能的仿真分析结果与设计计算、试验结果进行对比,验证了采用有限元方法预测水下球阀密封性能的可行性,可以为水下球阀的研制提供依据。

(1) 通过仿真分析得知,该水下球阀的阀座、球体密封面处的密封比压均大于计算的密封比压,设计满足要求。

(2) 阀座、球体密封面的密封比压分布特点为越接近密封面外径处,密封比压越大,越靠近密封面外缘,密封越可靠。

(3) 在壳体静水压试验零泄漏的基础上进行的阀座静水压试验、高压气密性试验和低压气密性试验,试验结果均满足标准要求。

(4) 试验结果与仿真分析之间存在差距,主要是因为阀座处的泄漏除了阀座、球体密封面处外,在阀座背部的密封圈也存在泄漏的风险,试验结果中的泄漏也可能是通过密封圈泄漏的。