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摘 要：介绍了API铸钢浮动球阀的密封和耐火结构改进设计；改进后降低了阀门操作力矩，提高了铸钢浮动球阀的密封能力和耐火能力。
关键词：密封；耐火；结构改进。
1.概述
近些年来，在国内外石油、石化、天然气等工业领域，铸钢浮动球阀的应用得到快速的发展；现今大多数企业使用的球阀技术标准直接采用了国外先进设计标准，如API 6D管线阀门、API 608法兰和对焊端金属球阀、API 6A井口装置和采油树设计规范及API 607 转1/4周阀门和非金属阀座阀门的耐火试验等。石油、石化苛刻的工况和企业严格的技术规范对球阀的质量要求越来越高，对球阀的阀座密封性能、阀杆的密封性能、阀门启闭扭矩大小、阀门防火设计等主要技术指标越来越严格。而我国现有工业设备和石油管线上的铸钢浮动球阀结构较落后，较难满足上述性能。尤其传统结构阀座密封力较大，防火设计达不到API 607 的耐火试验要求，阀门启闭扭矩大等缺点。
经过多次深入用户使用现场，了解用户的使用情况，对传统铸钢浮动球阀结构进行改进，根据API 6D管线阀门标准优化了铸钢浮动球阀的传统结构，改进了阀座和阀杆处密封性能，阀门启闭扭矩相对于传统结构铸钢浮动球阀，扭矩降低了30～40%。
2.结构改进分折
2.1.阀座密封结构改进
这两种密封面较宽的阀座密封面结构，无论是在工作压力还是最大的设计压力作用下，都会使阀门的启闭扭矩较大；在高压情况下，当阀座材料采用尼龙时，由于尼龙吸水率大会造成阀座膨胀，容易使阀座把球体抱死，增大了阀座预紧力，进而加大了阀门启闭扭矩，容易使阀杆变形，甚至扭断，最终使阀门启闭失常。
为了改善阀座的受力情况，现把阀座密封面改为双重斜面结构，它根据实际工况和阀座的设计预紧要求，充分利用聚四氟乙稀的冷流和弹性；在整机装配后，只要很小的预紧力就能实现低压气密封；而随着介质压力逐渐增加，阀座密封面逐渐加宽，同时阀座的密封力隨着介质工作压力变化而改变。如图2所示，在实际工况中，介质的工作压力往往比设计压力要小，这时候所产生的密封力一般如式
2.2.阀座耐火结构改进
传统结构浮动球阀无法通过API 607耐火试验的主要原因是：⑴ 球体没有得到支撑，因自重下垂。⑵ 阀座硬面防火凸台很薄，如果加厚防火凸台，阀座内径要加大，球体也要加大，阀门外形同时也加大，成本增加，所以防火凸台尺寸不能太大，一般只有1～3mm宽，在燃烧期间，防火凸台已软化变形，和球面接触部分不能达到密封要求，球体失去阀座支撑后球体下垂，阀座防火凸台上沿与球体之间已出现很大的流通面积，介质压力已经泄掉，仅为0.2 MPa的介质压力无法推动球体与阀座防火凸台形成密封副，无法实现密封比压，导致耐火试验失败，见图3。
改进后的阀座耐火结构见图4，（1）为防止球体下垂在阀体内设一条环形支撑带；（2）在球体下端增加小钢球和圆柱弹簧，弹簧能防静电，又能起到支撑球体的作用；（3）将阀座防火凸台改为R形圆角坚固可靠，燃烧后不变形。
改进后的优点：（1）燃烧后球体失去阀座支撑，由环带支撑球体防止下垂，依靠介质压力把球推向R形圆角阀座密封面实现密封。（2）降低生产成本和工艺成本，因采用R形圆角阀座的内径缩小球体缩小，阀体外形也随着减小，使阀门结构紧凑重量减小，从而降低生产成本；工艺成本的降低是因为采用了R形圆角结构，与凸起的老结构相比机加工和检测方便，加工精度容易得到保证，从而降低成本。
2.3.阀杆密封结构改进
阀杆密封是一项重要指标，往往由于填料磨损，预紧比压不够等造成阀杆部位泄漏。通常填料材料使用聚四氟乙烯或石墨，聚四氟乙烯不耐火，也就无法达到API 607的要求，作为不易燃介质及没有耐火要求的阀门是可行的。石墨耐火，但一重石墨密封启闭容易泄漏。改进后的阀杆密封增设一道O形圈密封，使阀杆具有双重密封功能，在正常使用状态下，O形圈密封。当O形圈被烧毁时，石墨起到防火作用，又能达到API 607的耐火要求。
3.改进后的检测结果
3.1.阀座密封测试
检验标准 API 6D，低压0.6 MPa气体，测试100%零泄漏。
3.2.扭矩测试
3.2.1.腔体带压下，通孔一端带压，一端通向大气，由关闭到开启；
3.2.2.同a条一样，另一端带压，重复；
4.结论：
综上所述，通过改进、生产、试验，改进后阀门的各项指示均达到API门6D管线阀门标准的要求，虽然改进产品结构是改善性能的必要条件，可是一个产品无论有多先进、结构合理并不代表产品的最终质量。因为每一个新的产品在每一个使用工况都要通过试运行，它的成功背后都经历过长期的使用过程。
参考文献：
[1]陆陪文主编 实用阀门设计手册 第3版。北京，机械工业出版社。2012年7月。
[2]章华友等著 球阀设计与选用。北京科学技术出版社。1994年。
[3]美国石油学会 API 6D-2008 第23版 管线阀门。2008年10月。
[4]中华人民共和国国家标准 GB/T 12237-2007石油、石化及相关工业用的钢制球阀。2007年11月1日。
[5]中华人民共和国国家标准 GB/T 19672-2005 管线阀门 技术条件。2005年8月1日。
[6]美国石油学会 API 607-2010 转1/4周阀门和非金属阀座阀门的耐火试验。2010年9月。
作者简介：
李铁东（1974.4-），男，辽宁省葫芦岛市人，工程师，现从事阀门的新产品开发和管理工作。
关键词：密封；耐火；结构改进。
1.概述
近些年来，在国内外石油、石化、天然气等工业领域，铸钢浮动球阀的应用得到快速的发展；现今大多数企业使用的球阀技术标准直接采用了国外先进设计标准，如API 6D管线阀门、API 608法兰和对焊端金属球阀、API 6A井口装置和采油树设计规范及API 607 转1/4周阀门和非金属阀座阀门的耐火试验等。石油、石化苛刻的工况和企业严格的技术规范对球阀的质量要求越来越高，对球阀的阀座密封性能、阀杆的密封性能、阀门启闭扭矩大小、阀门防火设计等主要技术指标越来越严格。而我国现有工业设备和石油管线上的铸钢浮动球阀结构较落后，较难满足上述性能。尤其传统结构阀座密封力较大，防火设计达不到API 607 的耐火试验要求，阀门启闭扭矩大等缺点。
经过多次深入用户使用现场，了解用户的使用情况，对传统铸钢浮动球阀结构进行改进，根据API 6D管线阀门标准优化了铸钢浮动球阀的传统结构，改进了阀座和阀杆处密封性能，阀门启闭扭矩相对于传统结构铸钢浮动球阀，扭矩降低了30～40%。
2.结构改进分折
2.1.阀座密封结构改进
这两种密封面较宽的阀座密封面结构，无论是在工作压力还是最大的设计压力作用下，都会使阀门的启闭扭矩较大；在高压情况下，当阀座材料采用尼龙时，由于尼龙吸水率大会造成阀座膨胀，容易使阀座把球体抱死，增大了阀座预紧力，进而加大了阀门启闭扭矩，容易使阀杆变形，甚至扭断，最终使阀门启闭失常。
为了改善阀座的受力情况，现把阀座密封面改为双重斜面结构，它根据实际工况和阀座的设计预紧要求，充分利用聚四氟乙稀的冷流和弹性；在整机装配后，只要很小的预紧力就能实现低压气密封；而随着介质压力逐渐增加，阀座密封面逐渐加宽，同时阀座的密封力隨着介质工作压力变化而改变。如图2所示，在实际工况中，介质的工作压力往往比设计压力要小，这时候所产生的密封力一般如式
2.2.阀座耐火结构改进
传统结构浮动球阀无法通过API 607耐火试验的主要原因是：⑴ 球体没有得到支撑，因自重下垂。⑵ 阀座硬面防火凸台很薄，如果加厚防火凸台，阀座内径要加大，球体也要加大，阀门外形同时也加大，成本增加，所以防火凸台尺寸不能太大，一般只有1～3mm宽，在燃烧期间，防火凸台已软化变形，和球面接触部分不能达到密封要求，球体失去阀座支撑后球体下垂，阀座防火凸台上沿与球体之间已出现很大的流通面积，介质压力已经泄掉，仅为0.2 MPa的介质压力无法推动球体与阀座防火凸台形成密封副，无法实现密封比压，导致耐火试验失败，见图3。
改进后的阀座耐火结构见图4，（1）为防止球体下垂在阀体内设一条环形支撑带；（2）在球体下端增加小钢球和圆柱弹簧，弹簧能防静电，又能起到支撑球体的作用；（3）将阀座防火凸台改为R形圆角坚固可靠，燃烧后不变形。
改进后的优点：（1）燃烧后球体失去阀座支撑，由环带支撑球体防止下垂，依靠介质压力把球推向R形圆角阀座密封面实现密封。（2）降低生产成本和工艺成本，因采用R形圆角阀座的内径缩小球体缩小，阀体外形也随着减小，使阀门结构紧凑重量减小，从而降低生产成本；工艺成本的降低是因为采用了R形圆角结构，与凸起的老结构相比机加工和检测方便，加工精度容易得到保证，从而降低成本。
2.3.阀杆密封结构改进
阀杆密封是一项重要指标，往往由于填料磨损，预紧比压不够等造成阀杆部位泄漏。通常填料材料使用聚四氟乙烯或石墨，聚四氟乙烯不耐火，也就无法达到API 607的要求，作为不易燃介质及没有耐火要求的阀门是可行的。石墨耐火，但一重石墨密封启闭容易泄漏。改进后的阀杆密封增设一道O形圈密封，使阀杆具有双重密封功能，在正常使用状态下，O形圈密封。当O形圈被烧毁时，石墨起到防火作用，又能达到API 607的耐火要求。
3.改进后的检测结果
3.1.阀座密封测试
检验标准 API 6D，低压0.6 MPa气体，测试100%零泄漏。
3.2.扭矩测试
3.2.1.腔体带压下，通孔一端带压，一端通向大气，由关闭到开启；
3.2.2.同a条一样，另一端带压，重复；
4.结论：
综上所述，通过改进、生产、试验，改进后阀门的各项指示均达到API门6D管线阀门标准的要求，虽然改进产品结构是改善性能的必要条件，可是一个产品无论有多先进、结构合理并不代表产品的最终质量。因为每一个新的产品在每一个使用工况都要通过试运行，它的成功背后都经历过长期的使用过程。
参考文献：
[1]陆陪文主编 实用阀门设计手册 第3版。北京，机械工业出版社。2012年7月。
[2]章华友等著 球阀设计与选用。北京科学技术出版社。1994年。
[3]美国石油学会 API 6D-2008 第23版 管线阀门。2008年10月。
[4]中华人民共和国国家标准 GB/T 12237-2007石油、石化及相关工业用的钢制球阀。2007年11月1日。
[5]中华人民共和国国家标准 GB/T 19672-2005 管线阀门 技术条件。2005年8月1日。
[6]美国石油学会 API 607-2010 转1/4周阀门和非金属阀座阀门的耐火试验。2010年9月。
作者简介：
李铁东（1974.4-），男，辽宁省葫芦岛市人，工程师，现从事阀门的新产品开发和管理工作。