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DBB与DIB型固定球阀的密封结构与方向性分析

在通常的观点与生产实践中,球阀一般是不具有安装方向的,即使工程现场偶尔发现有箭头的球阀,大多会按照流体方向安装,却并不知其原因。随着客户需求的多种多样,工程技术装备日新月异,满足不同工况的阀门也正在兴起,人们对阀门的认识也不断加深与提高。笔者根据现场经验并结合国内外相关资料,认为有一部分固定球阀是具有安装方向要求的,本文将重点探讨这一部分内容。

1 固定球阀密封机理

众所周知,固定球阀的球体具有上、下转轴,被固定在球体的轴承中,因此,球体不浮动而密封圈是浮动的,密封圈借助于弹簧和流体推力向球体,产生上游(或下游)端密封。通常它适用于高压、大口径场合。

其密封的基本原理是:在预紧力和/或介质压力作用下,产生密封力,使阀座与球体压紧,密封圈产生弹塑性变形来弥补球体相对变形以及球体的圆度误差和表面粗糙度,使密封面上的间隙减小到小于流体的分子直径时,才能保证流体不渗漏。

1.1 单活塞效应与双活塞效应的阀座

固定球阀的球体是固定的而阀座是浮动的,其阀座分单活塞效应(singlepistoneffect),缩写SPE,或称为自泄放阀座(self-relievingaction)和双活塞效应(doublepistoneffect)缩写为DPE两种。

单活塞阀座的原理为单向活塞式的作用,在密封副的设计上,考虑到因密封面两个方向作用力的差值而产生的作用力方向的不同,从而使密封副在压力差的推动下,产生相应方向的活塞运动(单活塞效应)。

双活塞阀座的原理与单活塞阀座的原理类似,只是在密封圈的设计上,要保证无论在下游管道压力高于阀腔压力时,还是在阀腔压力高于下游管道压力时,密封圈都能达到密封,从而避免阀腔气体向下游泄压并保护下游管道(双活塞效应)。

简而言之,单活塞阀座就是只能在一个方向实现密封。而双活塞阀座,两个方向都能实现密封。

1.2 单活塞效应阀座密封原理

一些文献中对单活塞与双活塞阀座进行过相关的数学计算,显得较为繁琐,本文主要以图示结合阀座受力讲解一下密封原理。

图1~4中:FF为弹簧弹力,箭头方向表示受力的方向;FΔA为流体在阀座上产生的压力差(即Aa与Ai的面积差与压强的乘积);FR为阀座所受最终合力,箭头方向表示受力方向。

图1 流体从右至左流动

图1中,当流体从右至左流动时,流体在阀座上产生的合力FR=FΔA+FF,(其中ΔA=Aa-Ai>0),显然方向从右至左,将阀座推向球体,实现密封。

图2中,当阀门腔内压力升高时,产生一个从左至右的推力FΔA(即Aa与Ai的面积差与压强的乘积,其中ΔA=Aa-Ai<0),弹簧的力FF此时是从右至左,产生的合力FR向右,将阀座从球体上推离,实现泄放。

图2 阀腔流体外泄

1.3 双活塞效应阀座密封原理

图3中,当流体从右至左流动时,流体在阀座上产生的合力FR=FΔA+FF,显然方向从右至左,将阀座推向球体,实现密封(此时ΔA=Aa-Ai>0)。

图3 流体从右至左流动

图4中,当阀门腔内压力升高时,产生一个从右至左的推力FΔA(即Aa与Ai的面积差与压强的乘积,此时ΔA=Aa-Ai>0),弹簧的力FF此时也是从右至左,产生的合力FR必定向左,将阀座推向球体,实现密封。

图4 阀腔流体外泄

1.4 单活塞效应和双活塞效应的区别

(1)腔体压力排放是有区别的:双活塞效应设计是腔体压力超过压力等级相应的压力值的1.1~1.33倍时排放[4],且排放至大气环境。而单活塞效应的设计则是只要腔体压力与下游压力作用于阀座环面的压差大于加载弹簧的压力就自动排放至下游管线。

(2)泄漏概率是有区别的:单活塞效应设计的优点是当阀腔压力增高时可以向上游(或下游)泄放,在阀腔建立高压后不会产生危险,但其泄漏的概率是双活塞效应设计的两倍。因为始终是阀门上游侧起密封作用,如果上游侧密封损坏,阀体压力不断增高,下游密封即失去密封功能,该阀门必定泄漏无疑。

2 双截流与泄压和双隔离与泄压(DBB和DIB)

由于这两种类型阀门的定义在API6D的论述中表述较为简略,且比较相似,导致业内一些人的理解出现偏差,造成目前一些关于DBB与DIB阀门观点的错误理解,一些工程人员甚至将这两种阀门定义都弄混淆,给厂家设计部门和用户造成一定的技术混淆和供货纠纷,更严重的是,用户端可能因此存在重大的安全事故隐患。这两种结构的阀目前应用最多的是在旋塞阀、平板闸阀和固定式球阀上,本文仅重点讨论DBB与DIB型的固定式球阀。

2.1 双截流与泄压的(DBB)阀门的标准定义

具有两个阀座密封面的单体式(非复合联装式)阀门,当其处于关闭位置时,能阻断同时来自阀门上下游端的介质压力,且夹持在阀座密封面间的阀体腔介质有泄放通道。

注:当该类型阀门仅承受来自单一方向(上游或下游)的介质压力时,不提供确实的双隔离功能。

2.2 双隔离与泄压的(DIB)阀门的标准定义

具有两个阀座密封面的单体式(非复合联装式)阀门,当其处于关闭位置时,阀座能独立地隔离(密封)来自其两侧(流道和阀腔)的介质压力,且夹持在阀座密封面间的阀体腔介质有泄放通道。

注:具备双隔离功能的阀座可在该类型阀门的单端或双端提供。

另外,根据API6D附录B中的说明可以知道DIB还可细分为两种类型:一种为DIB-1,其特点是两只阀座都是双向密封(也即双活塞阀座);另一种为DIB-2,其特点是一只阀座为单向密封(单活塞阀座),另一只阀座为双向密封(双活塞阀座)。

3 DBB与DIB型固定球阀方向性探讨

双向密封的固定球阀(即当此球阀关闭时,其能同时阻止阀门上下游两侧流体),但这并不等于意味着此固定球阀的阀座是双向,一个双向球阀可能就是由两个单活塞阀座组成,也可能是由一个单活塞阀座和一个双活塞阀座组成,还有可能是由两个双活塞阀座组成。这意味着固定球阀的双向密封与其阀座的双向密封是两个不同的概念,千万不能混淆。

3.1 DBB与DIB型固定球阀性能对比

DBB与DIB型固定球阀各项性能对比见表1。

表1 DBB与DIB型固定球阀各项性能对比


如果我们对SPE活塞使用→│符号标示,DPE使用→│←符号来标示,则上面的四种形式的阀门类型可以用图5~8来标示。

图5 DBB型固定球阀(SPE+SPE)

图6 DIB-1型固定球阀(DEP+DEP)

图7 DIB-2型固定球阀(SPE+DPE)

图8 DIB-2型固定球阀(DPE+SPE)

其中图5中当流体从左至右时,上游阀座(SPE)起到密封作用,在流体压力的作用下上游阀座贴紧球体实现密封,此时下游阀座不起密封作用。而当阀门腔内产生大量高压气体时,产生的压力大于下游阀座弹簧弹力时,下游阀座将被弹开,实现压力泄放。反之,下游阀座起密封作用,上游阀座起到超压泄放功能,这就是双截流与泄放阀门的由来。

图6中当流体从左至右时,上游阀座(DEP)将起密封作用,而下游阀座也能起到密封作用,在实际生产运用中,下游阀座实际上起到双保险的作用。当上游阀座出现泄漏时,下游阀座依然能保持密封。同样,当流体从左至右时,下游阀座起到主要的密封作用,上游阀座起双保险作用。缺点是当阀门腔内产生高压气体时,上下游阀座都无法实现压力泄放,这就可能需要使用一个与阀门外部相连的安全卸压阀,这样空腔内上升的压力才可以泄放到外界,但同时等于增加了一个泄漏点。

图7中当流体从左至右时,上游阀座能起到密封作用,而且下游的双向阀座同样能起到双重密封作用,这样即使上游阀座出现损坏,下游阀座依然能保持密封,当腔体内部压力突然升高时,可以通过上游阀座实现压力释放,可以说它的密封性与DIB-1两个双向阀座的密封效果类似,但能在上游阀座端实现自发泄压,兼具了DBB与DIB-1两种类型阀门的优点。

图8与图7功能几乎一模一样,唯一不同的是,当阀门腔体内压力升高时,下游阀座端实现自发泄压,一般情况下,从工艺角度而言,中腔异常压力释放到上游更为合理和安全,因此前一种设计会有人用,后一种设计基本上没有实用价值,在实际应用中非常少见。

需要强调的是,一般上游阀座起到主要的密封作用,使用频率较高,因而损坏的几率也较高,这个时候下游阀座如也能起到密封作用,对阀门的寿命是一种延续。这也是DIB-1与DIB-2(SPE+DEP)阀门寿命相较其他阀门而言很长的原因[7]。

3.2 DIB-2型固定球阀具有方向的原因分析

DIB-2型的两种固定球阀都具有安装方向要求的原因是:

(1)一旦装反将影响阀门寿命

图7中DIB-2型的固定球阀(SPE+DPE)正常情况下,当流体从左至右流动时,上游阀座就能起到密封作用,当上游阀座失效的时候,下游的DEP阀座还能起到密封作用,保险系数高,寿命较长。而方向一旦安装反,就成了图8中的DIB-2类阀门(DEP+SPE),这时如果上游阀座(DPE)失效,下游阀座(SPE)是起不到密封作用的。故保险系数不高,寿命相对较短。

(2)一旦装反将影响阀门压力泄放

图7中DIB-2类阀门(SPE+DPE)正常情况下,阀腔内压力升高会从上游阀座处泄放,这与工艺专业所规定的方向一致,而一旦装反就成图8中所示的形式,会导致下游泄压,与工艺通常规定相违背。

3.3 几种类型的固定球阀优缺点比较

几种类型的固定球阀优缺点比较见表2。

表2 几种类型的固定球阀优缺点比较

4 应用实例

因篇幅所限,下文主要对比上游阀座泄漏与上游阀座起作用这两种在实际应用中的情况(见图9~16)。

图9 DBB型固定球阀(上游阀座起作用)

图10 DBB型固定球阀(上游阀座泄漏)

图11 DIB-1型固定球阀(上游阀座起作用)

图12 DIB-1型固定球阀(上游阀座泄漏)

图13 DIB-2型固定球阀(上游单向阀座起作用)

图14 DIB-2型固定球阀(上游单向阀座泄漏)

图15 DIB-2型固定球阀(上游双向阀座起作用)

图16 DIB-2型固定球阀(上游双向阀座泄漏)

千万不能忽略这四种类型固定球阀区分的重要性,比如在输送危险介质的管线系统中,错误地将DIB型固定球阀选用成了DBB型,则当管线下游进行维修作业时,若阀门上游密封因某种原因失效,上游介质极有可能泄漏到下游作业区,造成人员伤亡与设备损失。

5 DBB与DIB型固定球阀适用场合

DBB与DIB型固定球阀适用场合比较见表3。

表3 DBB与DIB型固定球阀适用场合

6 结束语

虽然DBB与DIB型球阀在石油天然气长输管线工程中已被普遍使用,但部分阀门使用、设计、制造及监理人员仍缺乏对这两种类型阀门原理、作用的正确理解。

本文通过详细的讨论与分析认为,这两种类型的固定球阀在结构、流体阻隔性能、密封性能、应用场合等方面均不相同,且固定球阀并非像传统观念认为的那样没有安装方向的要求。本文旨在提高大家对DBB与DIB固定球阀的理解认识,保证阀门的选型、设计符合标准规范的要求。本文关于固定球阀密封结构与方向性的分析与结论,为工程设计者、阀门制造厂商、现场施工人员提供了参考。

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