水下球閥密封性能分析與試驗研究*

楊山坡,李跟飛,張新奇,丁強偉,潘孝輝

(中國船舶集團有限公司 第七二五研究所,河南 洛陽 471000)

0 引 言

隨著陸地石油資源的減少,海洋油氣開發已經成為新的能源開發熱點。在水下油氣的開發設備中,水下閥門作為必不可少的關鍵設備常用在水下管匯、末端管線、采油樹燈系統中,其需求量巨大。水下閥門特殊的海水環境對其提出了不同于常規閥門的新要求:高壓、零泄漏燈。另外,由于水下閥門特殊的使用環境和驅動方式,因此其正常使用后,對其維護的難度相當大。因此,水下閥門要具有極高的可靠性。

水下閥門的密封性能是其可靠性的重要指標,12″2500Lb上裝式水下球閥的球面密封結構為固定球體、浮動閥座式密封,球體、閥座的密封形式采用金屬硬密封。筆者重點對該球閥球體與閥座的密封特性進行仿真分析,驗證了設計的有效性,得出的結論可以為水下球閥的研制提供參考依據。

1 球閥主要參數及密封結構特點

1.1 主要參數

結構型式: 上裝式球閥;公稱通徑:12in. (300 mm);設計壓力:2 500Lb(42 MPa);產品等級:API 17D PSL 3G;設計水深:500 m;溫度等級:U;材料等級:FF;設計壽命:20年;操作方式:遙控操作裝置(ROV)/液動。

1.2 密封結構特點

該水下球閥在正常使用時除了承受介質內壓外,還承受著海水外壓作用。為了防止介質外漏或海水進入閥內,閥體與環境之間一般設置兩道密封結構,其中金屬硬密封為主密封。球體前、后都安裝閥座,采用SPE(Single Piston Effect)和DPE(Double Piston Effect)的組合,水下球閥進口端為SPE,出口端為DPE,稱為單-雙活塞效應閥座(DIB-2型)。前、后閥座均安裝在具有活塞效應的調節圈內,調節圈后的彈簧提供初始預緊力,使閥座壓緊球體[1],保證密封。水下球閥結構如圖1所示。

圖1 水下球閥結構示意圖

在球閥關閉時,前閥座承受流體介質壓力和彈簧彈力的合力,使其被推向球體,與球體的接觸面上產生一定的密封比壓。該壓力使前閥座表面發生彈塑性變形,補償球體的加工誤差,防止介質滲漏,保證密封[2-3]。若前閥座密封失效,介質將進入中腔,由于中腔與下游存在作用于后閥座的壓力差,流體的介質壓力也可將后閥座推向球體,和調節圈處的彈簧彈力一起使后閥座壓緊球體并保持密封。

2 密封性能評價

選擇合適的密封比壓是保證閥門密封、壽命的關鍵。當球閥在預緊力狀態下球體相對閥座轉動時,密封副之間由于切向應力產生摩擦磨損。為了保證閥門的壽命并減小磨損,密封面的比壓必須盡量小,但得保證足夠密封。因此,閥門的密封必須滿足以下條件:

qb

(1)

式中:qb為必須比壓,MPa;q為實際比壓,MPa;[q]為密封面材料的許用比壓,MPa。球閥的必須密封比壓公式為:

(2)

式中:qb為必須密封比壓,MPa;P為介質壓力,MPa;bm為密封面在垂直于流體流動方向上的投影寬度,mm。根據文中水下球閥的相關參數,計算得:qb=39.16 MPa。

3 計算模型

球閥的主密封結構由閥座和球體密封面組成,如圖2所示。球閥通過密封面的相互擠壓來阻斷介質的流動通道,從而實現密封。為提高計算的精度和效率,對水下球閥的密封結構進行簡化,簡化原則如下:①閥體剛度極大,變形量可忽略不計,省略閥體;②球體上下由閥桿、閥蓋和閥座支撐,無流體作用力,省略閥桿;③為了保證網格質量,省略對結果影響較小的倒角、螺紋孔等特征。

運用有限元分析軟件ANSYS Workbench的接觸分析模塊,按照以上簡化模型和環境參數進行分析計算,可以得到球閥中閥座與球體之間密封面的密封比壓結果。為了保證計算結果的準確性,劃分網格時,對閥座與球體接觸面網格進行細化,計算模型網格如圖3所示。

4 數值模擬計算及分析

閥座靜水壓試驗、高壓氣密性試驗按照API 6DSS的相關要求執行。

4.1 物性參數及邊界條件

(1) 物性參數

球體材料為A182 F51+WC,閥座材料為A182 F55+WC,具體物性參數如表1所列。

表1 材料物性參數表

(2) 邊界條件設置

前、后閥座的有限元分析模型如圖4所示。試驗時參考實際閥門密封試驗時閥座、球體的受力狀況,在閥座和球體上施加pressure,大小為1.1倍的公稱壓力,球體施加fixed support約束,密封面設置為contact,接觸方式為fractional,fraction coefficient設置為0.1,前后閥座邊界設置如圖5所示。

圖4 前、后閥座有限元計算模型 圖5 前、后閥座邊界條件設置

4.2 計算分析

初始狀態閥門關閉,不進行壓力試驗時,前、后閥座與球體之間的初始密封比壓計算結果如圖6、7所示,密封比壓約為1.5MPa。前、后閥座的開口度云圖如圖8、9所示,均為零,表明初始狀態下閥門密封可靠。

圖6 前閥座初始密封比壓 圖7 后閥座初始密封比壓

圖8 初始狀態前閥座開口度云圖 圖9 初始狀態后閥座開口度云圖

試驗工況時,在1.1倍額定工作壓力下,仿真分析得到前后閥座的等效應力云圖如圖10、11所示,前、后閥座的等效應力較大的區域位于閥座背面的密封圈處,最大值分別為為310 MPa、253 MPa,遠小于材料的最小屈服強度,設計可靠。

圖10 46.2 MPa時前閥座等效應力云圖 圖11 46.2 MPa時后閥座等效應力云圖

前、后閥座密封比壓如圖12、13所示。由圖可知,前閥座、后閥座密封面的密封比壓主要分布在密封面外徑處,且越接近外徑其值越大。前閥座密封面的大部分區域密封比壓在53 MPa左右,而后閥座密封面在半徑最大區域的密封比壓達到50 MPa左右,其余大部分區域密封比壓為17.7 MPa左右,在圖13中線框處密封比壓分布不均。上文計算得到的閥座必須密封比壓為39.2 MPa。由此可以預測,前、后閥座的密封均可靠,且前閥座的密封性能優于后閥座。

圖12 46.2 MPa時前閥座密封比壓 圖13 46.2 MPa時后閥座密封比壓

前、后閥座密封面的開口度云圖如圖14、15所示。前閥座密封面開口度為零,結合密封面的密封比壓分布可知,前閥座不存在密封面處的泄漏問題。后閥座在中部位置出現局部開口,但不存在貫穿現象,與后閥座密封面處的密封比壓分布一致,因此,后閥座不存在密封面處的泄漏問題。

圖14 46.2 MPa時前閥座開口度云圖 圖15 46.2 MPa后閥座時開口度云圖

5 水下球閥密封試驗

型式試驗是驗證水下球閥可靠性的重要途徑。根據水下球閥的使用環境,編制型式試驗大綱和具體的實施工藝,并嚴格按照大綱和工藝進行試驗驗證。試驗裝置為1套超高壓液、氣測試系統。

試驗內容則按照該閥門設計標準API 6D規范內規定的閥門密封試驗規范ISO 5208[4]的要求進行。在殼體靜水壓零泄漏的基礎上,分別做閥座靜水壓試驗、閥座高壓氣密性試驗和閥座低壓氣密封試驗。按標準要求閥座的靜水壓試驗介質為加防腐劑的清水,氣密性試驗介質為氮氣。具體試驗內容如下。

5.1 閥座靜水壓試驗

閥門處于關閉狀態,兩端盲板密封,分別從上、下游端進行階梯升壓至46.2 MPa,壓力穩定后開始保壓,保壓時間為30 min,保壓過程中檢查閥腔處泄漏情況,并記錄。靜水壓試驗如圖16所示。

圖16 閥座靜水壓試驗示意圖

合格判據:每個保壓過程中記錄的泄漏量不應超過ISO 5208:2008的C級值(0.03×DNmm3/s)。

5.2 閥座高壓氣密性試驗

閥座高壓氣密性試驗按照API 6DSS B.4.3進行,由于試驗壓力過高,試驗過程做了充分的防護措施,閥座高壓氣密性試驗如圖17所示。

圖17 閥座高壓氣密性試驗

閥門關閉,兩端盲板密封,完全浸沒于試驗水池中,分別從上、下游端階梯升壓至46.2 MPa,壓力穩定后開始保壓,保壓時間30 min,保壓過程中通過檢漏儀測量閥腔處泄漏情況,并記錄下來。

合格判據:每個保壓過程中記錄的泄漏量不應超過ISO 5208:2008的D級值(30×D Nmm3/s)的兩倍。

5.3 閥座低壓氣密性試驗

閥座低壓氣密性試驗按照API 6DSS 11.6進行,閥門處于關閉狀態,兩端密封,試驗介質為氮氣,閥門安全浸沒在試驗水池中,在上游端施加壓力0.5 MPa,壓力穩定后開始保壓,保壓時間為30 min。保壓過程中,通過檢漏儀檢查中腔泄漏量并記錄。上游端試驗結束后在下游端施加壓力0.5 MPa,保壓30 min,并記錄泄漏情況和試驗結果。

合格判據:每個保壓過程中記錄的泄漏量不應超過ISO 5208:2008的C級值。水下球閥密封試驗結果如表2所列。

表2 水下球閥密封試驗結果

由表2可知,閥座的低壓氣密性試驗泄漏量滿足要求,表明閥座與球體的密封副質量可靠。閥座的靜水壓試驗和閥座高壓氣密性試驗結果均滿足標準要求。另外,對比閥座靜水壓試驗和高壓氣密性試驗的試驗數據與前文仿真分析結果數據,它們之間存在著一定的差異,這是因為該水下的泄漏除了閥座密封面處外,在閥座的外部圓周部分的密封圈也可能存在泄漏。

6 結 語

將水下球閥球體與閥座密封性能的仿真分析結果與設計計算、試驗結果進行對比,驗證了采用有限元方法預測水下球閥密封性能的可行性,可以為水下球閥的研制提供依據。

(1) 通過仿真分析得知,該水下球閥的閥座、球體密封面處的密封比壓均大于計算的密封比壓,設計滿足要求。

(2) 閥座、球體密封面的密封比壓分布特點為越接近密封面外徑處,密封比壓越大,越靠近密封面外緣,密封越可靠。

(3) 在殼體靜水壓試驗零泄漏的基礎上進行的閥座靜水壓試驗、高壓氣密性試驗和低壓氣密性試驗,試驗結果均滿足標準要求。

(4) 試驗結果與仿真分析之間存在差距,主要是因為閥座處的泄漏除了閥座、球體密封面處外,在閥座背部的密封圈也存在泄漏的風險,試驗結果中的泄漏也可能是通過密封圈泄漏的。