平衡式管線旋塞閥開發(fā)設(shè)計(jì) 
 
                            上海申弘閥門有限公司
 
摘要：介紹了平衡式油密封管線旋塞閥的工作原理和主要特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及要求。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。  
關(guān)鍵詞：旋塞閥；平衡式；設(shè)計(jì)；  
The design of the balanced plug valves for pipeline 
(shenjiang valve co.,ltd  zhejiang  yueqing  325605) 
 
Abstract：Introduced the operating principle and main characteristics of the balanced type lubricating plug valves for pipeline, and the details of the valve’s configuration design and requirements. 
Key words：plug valve,  balance type, design

1、慨述 
管線旋塞閥是用于長輸天然氣管線及場站控制系統(tǒng)的切斷閥門，是一種滿足天然氣管線特殊要求的閥門。要求閥門具有適用惡劣的環(huán)境、30年以上的使用壽命、雙向零泄漏、失火和防靜電、耐酸性介質(zhì)腐蝕、以及操著省力等特殊技術(shù)性能。對于管線旋塞閥其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是美國石油協(xié)會頒發(fā)的API6D標(biāo)準(zhǔn)《石油和天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)管線閥門》及API599標(biāo)準(zhǔn)《法蘭和焊連接的金屬旋塞閥》。目前國內(nèi)天然氣管線及場站控制系統(tǒng)使用的旋塞閥全部采用進(jìn)口的倒裝平衡式油密封旋塞閥。對于本旋塞閥的國產(chǎn)化開發(fā)及在長輸天然氣管線系統(tǒng)推廣應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

2、閥門結(jié)構(gòu)形式 
該種管線旋塞閥采用倒裝閥芯壓力平衡式油密封結(jié)構(gòu)。包括閥體、閥蓋、閥桿、旋塞體、聯(lián)軸平衡環(huán)、閥桿密封組件和安裝件。閥芯表面硬化處理并開有特殊油槽回路，閥體外有雙密封油脂注入裝置，一個(gè)是通過注入油脂對閥桿實(shí)現(xiàn)緊急密封，另一個(gè)是將油脂注入到閥體上腔。錐形旋塞體的小端通過平衡環(huán)與閥桿連接，閥體底部閥蓋上裝有調(diào)節(jié)支撐，可以調(diào)整閥芯的位置。閥門采用防火設(shè)計(jì)，有靜電導(dǎo)出裝置，過流通道按API6D的規(guī)定有全徑、規(guī)則孔及文丘里孔。閥門材料可采用碳鋼、低溫鋼、不銹鋼及合金鋼。驅(qū)動方式有電動、氣動、手動等。

3、工作原理及性能特點(diǎn) 
通過閥桿旋轉(zhuǎn)90度使閥芯上的通道口與閥體上的通道口接通或斷開，實(shí)現(xiàn)閥門開啟或關(guān)閉。通過該閥閥腔上部設(shè)計(jì)的注油
脂閥注入密封油脂，該油脂在注入壓力作用下通過閥芯表面的特殊油槽均勻涂抹在密封面上，形成致密的油膜層實(shí)現(xiàn)閥門雙向密封并起潤滑密封面的作用。在閥芯大端開有通流的小孔，使管道介質(zhì)能進(jìn)入閥芯底部，閥芯在底部介質(zhì)力推動下向上緊貼閥體倒錐面。閥芯小端裝有單向閥，當(dāng)閥腔上部的注脂壓力高于管道介質(zhì)壓力時(shí)單向閥截止，當(dāng)閥腔上部的油脂壓力低于介質(zhì)壓力時(shí)管道介質(zhì)通過單向閥進(jìn)入閥體上腔以補(bǔ)充油脂壓力。同時(shí)閥芯在上腔油脂壓力及閥芯自重力作用下與閥芯底部向上的介質(zhì)推力保持平衡，可以大大減輕密封面的密封比壓，降低閥門操作力矩，延長閥門使用壽命。 
該種管線旋塞閥與傳統(tǒng)襯套式旋塞閥相比具有扭矩小、密封性能好、使用壽命長、適用范圍寬等等顯著特點(diǎn)。 
1）、密封可靠，使用壽命長。旋塞閥靠錐面密封，密封接觸面大，油膜潤滑并起密封作用。采用注油脂密封，在旋塞的開關(guān)運(yùn)動過程中能將密封油脂均勻涂在密封面上，有效潤滑密封面。同時(shí)因密封油脂的填充占位及開關(guān)過程中的檫拭作用，介質(zhì)中所含的固體顆粒物不會進(jìn)入密封副中，而在全開時(shí)可*防止與流動介質(zhì)的接觸，有效保護(hù)密封副。 
2）、閥門力矩小，操著省力。采用倒裝安裝方式的旋塞錐體。在閥門開啟瞬間，閥體下腔的壓力與管道的介質(zhì)壓力平衡，推動旋塞體向上貼緊閥體內(nèi)錐面，閥門上腔
的高壓密封油迫使塞體受到向下的推力，而使旋塞錐體的上下端受力達(dá)到平衡，旋轉(zhuǎn)塞體時(shí)的力矩將有效減少。 
3）、閥體底部閥蓋上裝有調(diào)節(jié)支撐，可以調(diào)整閥芯的位置。在高溫工況下，旋塞的熱膨脹可通過其升降來吸收，避免密封副楔死。同時(shí)該裝置具有將閥芯與介質(zhì)摩擦可能產(chǎn)生的靜電導(dǎo)出的功能。

4）、閥桿防飛出設(shè)計(jì)，O形圈及石墨填料、注入密封脂三重閥桿密封設(shè)計(jì)，符合低泄漏 要求；可可靠工作，免緊固維護(hù)，具有防火功能。

4、設(shè)計(jì)

4.1、結(jié)構(gòu) 
閥門由閥體、閥桿、旋塞、底蓋、聯(lián)軸平衡環(huán)、預(yù)壓彈
簧、旋塞調(diào)整桿、底蓋密封調(diào)整墊片、注脂閥、閥桿密封組件等組成。底部密封調(diào)整墊片通過底蓋壓緊實(shí)現(xiàn)閥體中腔與外界的*隔離，密封可靠，無泄漏。底部閥蓋上安裝有帶保護(hù)罩的調(diào)節(jié)螺釘，可方便調(diào)整閥芯的位置及密封副預(yù)緊。閥門可按用戶要求配置氣動、電動、液動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4.2 閥體  
4.2.1 采用倒鐘式結(jié)構(gòu)整體鑄造，強(qiáng)度高、剛性好，受力均勻，閥體，閥門質(zhì)量中心與管道中心基本重合，操作穩(wěn)定好。閥體壁厚按計(jì)算取值并經(jīng)有限元分析優(yōu)化。

4.2.2 閥體壁厚SB’計(jì)算依據(jù)為 
SB’=??CPPDLn
???3.2 
式中：SB’ –計(jì)算壁厚，mm 
P –計(jì)算壓力（PN設(shè)計(jì)給定），MPa   Dn --計(jì)算內(nèi)徑（設(shè)計(jì)確定），mm 
σL ---許用拉應(yīng)力（按材料標(biāo)準(zhǔn)確定），MPa C –腐蝕余量（設(shè)計(jì)確定），mm 
實(shí)際設(shè)計(jì)壁厚應(yīng)滿足SB＞ SB’為合格. 
4.2.3 閥體密封錐面采用高速精磨加工，并經(jīng)研磨后表面粗糙度小于Ra0.8  4.3 旋塞 
4.3.1 采用倒裝式旋塞，整體鍛造，精密機(jī)械加工并研磨后表面粗糙度可達(dá)Ra0.4。4.3.2 旋塞表面采用氮化、鍍鎳磷合金或噴涂硬質(zhì)合金等表面處理手段提高表面硬度；超音速噴涂硬質(zhì)合金的表面硬度可達(dá)HRC65以上，鍍鎳磷合金并經(jīng)熱處理后，其表面硬度可達(dá)HRC58~60。在油膜潤滑下具有*的耐磨性能。 
4.3.3旋塞錐體的上部（小端）有一止回閥，可補(bǔ)償閥腔上部的注油壓力。旋塞的下部（大端）開有平衡孔，可將介質(zhì)壓力引入旋塞底部。

4.4 密封副 
4.4.1 密封副結(jié)構(gòu)形式見右圖.采用金屬密封結(jié)構(gòu)加注油脂密封。由于密
封油脂的填充占位作用，介質(zhì)中的固體顆粒物不會進(jìn)入密封面，對密封面有非常好的保護(hù)作用.因油脂的潤滑使閥門操作力矩小，操作省力。 
4.4.2 特殊的非對稱油槽設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)動旋塞時(shí)密封脂自動加注無泄漏，*保證油膜完整、密封可靠。這種非對稱的油槽設(shè)計(jì)油耗損失非常小，延長了油脂的加注時(shí)間和使用周期。 
4.4.3 錐面密封，密封接觸面積大，油膜潤滑，使用壽命長。

4.5 閥桿及閥桿密封 
4.5.1 閥桿的強(qiáng)度和密封性能是影響閥門操作及閥門整體性能的主要因數(shù)之一。閥桿的受力主要來自于填料處的摩擦力、操作扭矩及介質(zhì)的推力。 
4.5.2 閥桿與旋塞采用滑環(huán)式連接方式，可減少閥桿中心與旋塞錐面的同心度誤差，改善閥桿的受力條件和操作性能。 
4.5.3 閥桿采用防飛出設(shè)計(jì)，可在線更換填料密封件。 
4.5.4 閥桿密封采用防火填料、O形密封圈、加注密封脂三重密封設(shè)計(jì)，閥桿機(jī)加工后表面粗糙度可達(dá)Ra0.4，*閥桿密封低泄漏要求，可可靠工作，免緊固維護(hù)。 
4.5.5 閥桿采用4140材料整體鍛造，并加調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度高韌性好。閥桿表面采用氮化或鍍鎳磷合金，表面硬度高，抗摩擦磨損。 4.6 閥蓋及底部結(jié)構(gòu) 
4.6.1 底部閥蓋是閥門底部承壓件，同時(shí)又是底部密封墊片、底部調(diào)節(jié)桿的固定和安裝支撐件，要求具有高的剛度和強(qiáng)度。其設(shè)計(jì)制造執(zhí)行ASME規(guī)范關(guān)于法蘭蓋的設(shè)計(jì)要求。 
4.6.2 底部閥蓋的密封采用整體密封墊*隔離式結(jié)構(gòu)，在保證閥蓋螺栓緊固力時(shí)閥門具有可靠的密封。 
4.6.3 安裝在閥蓋底部的調(diào)節(jié)桿采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。調(diào)整完成后旋緊壓蓋*零泄漏。

4.6.4 底部調(diào)節(jié)桿支持閥芯，導(dǎo)出閥芯因各種原因產(chǎn)生的靜電。

5 結(jié)語 
5.1 自西氣東輸一線建成后，國內(nèi)進(jìn)口了大量管線旋塞閥，促進(jìn)和推動了部分閥門制造企業(yè)開發(fā)該產(chǎn)品，但一直未能在實(shí)際項(xiàng)目中投入批量應(yīng)用。本公司從2003年開發(fā)本平衡式管線旋塞閥并實(shí)現(xiàn)出口。經(jīng)不斷消化吸收國外新技術(shù)，對該產(chǎn)品的不斷完善和改進(jìn)，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過*水平。新一代油密封旋塞閥，雙向零泄漏、密封性能好、使用安全可靠，閥門扭矩小、操作省力，油膜潤滑無磨損，使用壽命長，可廣泛應(yīng)用于天然氣管網(wǎng)及場站控制系統(tǒng)。 
5.2 西氣東輸二線主干線已經(jīng)建成通氣，各地區(qū)支干線及地方支線正加緊建設(shè)，預(yù)計(jì)本閥門的市場前景將十分廣闊。該閥的推廣使用將為國家及建設(shè)單位節(jié)省大量投資，也會為閥門制造企業(yè)帶來巨大的市場機(jī)遇和經(jīng)濟(jì)效益。本文相關(guān)的論文有：中國閥門產(chǎn)值遞增      

 參考文獻(xiàn) 
1 API599-1994 法蘭和焊連接金屬旋塞閥 
2 API6D-2008 石油和天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)管線閥門

3 楊源泉 閥門設(shè)計(jì)手冊 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1992