遠(yuǎn)程自動(dòng)控制氣液聯(lián)動(dòng)全焊接緊急切斷閥的設(shè)計(jì)研究

石油、天然氣是易燃易爆危險(xiǎn)品, 而石油、天然氣是易揮發(fā)物質(zhì), 易產(chǎn)生滲漏, 既浪費(fèi)了能源, 又污染了環(huán)境, 并因易燃易爆而產(chǎn)生巨大的危險(xiǎn)。因此, 我們要研發(fā)一種閥門產(chǎn)品既能防止天然氣等介質(zhì)的滲漏, 又具有強(qiáng)大的動(dòng)力、迅速而準(zhǔn)確的啟閉閥門。緊急切斷閥用于嚴(yán)寒酷暑、荒漠、沼澤地帶, 閥門操作時(shí)人獸共處, 極不安全;該閥門通徑巨大, 啟閉力矩極大, 蝸輪傳動(dòng)已不適用, 必須采用電動(dòng)、液動(dòng)、電液聯(lián)動(dòng)、氣液聯(lián)動(dòng)的傳動(dòng)方式進(jìn)行操作。如何將閥門工況信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖业碾y題, 必須采用先進(jìn)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的氣液聯(lián)動(dòng)裝置。

1 主要研究?jī)?nèi)容

1.1 控制切斷技術(shù)

采用先進(jìn)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的氣液聯(lián)動(dòng)裝置, 對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管線氣液聯(lián)動(dòng)緊急切斷閥進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。

1.2 密封圈材料

石油、天然氣管道中的介質(zhì)往往含有雜物甚至有砂石, 給管線閥門的設(shè)計(jì)與使用提出很大的難題, 而密封圈作為管線閥門中必不可少的重要組件, 其性能質(zhì)量決定了閥門的使用狀況及壽命。

1.3 焊接工藝

傳統(tǒng)的管線球閥殼體采用的是鑄鋼件毛坯且用螺栓連接。我們知道, 鑄件的金屬晶粒間隙較大, 并且易產(chǎn)生氣孔、夾渣、疏松等缺陷, 而石油、天然氣是易揮發(fā)物質(zhì), 殼體采用鑄鋼件毛坯, 易產(chǎn)生滲漏;此外, 栓接處也容易產(chǎn)生泄漏;既浪費(fèi)了能源, 又污染了環(huán)境, 并因易燃易爆而產(chǎn)生巨大的危險(xiǎn)。如果, 長(zhǎng)輸管線球閥的殼體采用鍛鋼件焊接而成, 則避免了鑄鋼件、栓接產(chǎn)生滲漏的危險(xiǎn):因?yàn)? 鍛鋼件金屬晶粒細(xì)密, 晶粒間隙很小, 用以輸送天然氣、石油不會(huì)產(chǎn)生因材質(zhì)本身而造成的滲漏, 更不會(huì)因栓接而產(chǎn)生泄漏。

1.4 密封結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的管線球閥閥座與閥體之間的密封是采用閥座加活塞的兩體結(jié)構(gòu), 活塞的內(nèi)、外圓上各用二個(gè)O型密封圈密封;閥門進(jìn)出端各一組。其缺點(diǎn)是使整機(jī)體積增大, 并由于閥座密封圈中心尺寸加大而使閥門的啟閉力矩大大增加, 并且僅適用于DBB結(jié)構(gòu)。

1.5 維護(hù)工藝

目前使用的球閥閥蓋為整體結(jié)構(gòu), 如果填料或密封圈等易損件在非檢修期內(nèi)就已經(jīng)磨損, 導(dǎo)致填料或密封圈無法更換, 易造成石油、天然氣及有害有毒氣體等介質(zhì)向外泄漏, 將發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。

2 技術(shù)解決方案

2.1 采用遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的氣液聯(lián)動(dòng)裝置

采用一種氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括三大部分, 分別是:控制器、驅(qū)動(dòng)器、液壓操作系統(tǒng)。

●控制器的功能是:導(dǎo)通動(dòng)力氣引進(jìn)流程、切換閥門開關(guān)方向、動(dòng)力氣過濾。

●驅(qū)動(dòng)器功能是:將動(dòng)力氣氣壓在氣液罐中變?yōu)橐簤? 液壓傳到液缸中推動(dòng)葉輪裝置作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 帶動(dòng)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

●液壓手動(dòng)系統(tǒng)功能是:導(dǎo)通手動(dòng)泵至驅(qū)動(dòng)器流程, 手動(dòng)泵排出油壓直接作用在驅(qū)動(dòng)器葉輪上, 帶動(dòng)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

●電子控制單元通過壓力傳感器檢測(cè)管線中氣體壓力。

●電子控制單元通過ROCLINK判斷檢測(cè)壓力是否正常。

●電子控制單元通過電磁閥控制氣路通斷。

●當(dāng)氣路壓力變化導(dǎo)致液缸中氣體壓力發(fā)生變化。

●旋轉(zhuǎn)葉片兩端壓差增大, 使傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng), 帶動(dòng)閥門動(dòng)作。

本全電子式控制系統(tǒng), 它具有閥門關(guān)斷和數(shù)據(jù)采集兩種功能。控制系統(tǒng)每1秒鐘探測(cè)一次管線內(nèi)的壓力數(shù)據(jù), 每5秒進(jìn)行一次平均, “事故”數(shù)據(jù)將自動(dòng)被保存。當(dāng)管道爆管需要緊急切斷時(shí), 在感測(cè)到的壓降速率或壓力及必要的延時(shí)數(shù)據(jù)后, 指揮執(zhí)行器迅速關(guān)斷閥門, 并能記錄下管道運(yùn)行的最高、最低壓力和壓降速率, 這些數(shù)據(jù)也可以下載, 從而使操作者對(duì)管道運(yùn)行情況心中有數(shù)。數(shù)據(jù)采集功能可以“滾動(dòng)”存儲(chǔ)當(dāng)前最近時(shí)間的240組數(shù)據(jù)。如存儲(chǔ)已滿240組數(shù)據(jù), 測(cè)得的最近和最新的數(shù)據(jù)將被存入, 而相應(yīng)最老和最早存入的數(shù)據(jù)將被自動(dòng)滾動(dòng)消除, 以確保用戶始終掌握管線的最新數(shù)據(jù)。

2.2 采用尼龍66為主要原材料, 提高了密封圈的綜合力學(xué)性能

相較于國內(nèi)傳統(tǒng)的密封圈, 本技術(shù)采用改性尼龍66為主要原材料, 聚四氟乙烯為輔助填充材料, 相較于國外的尼龍66密封圈, 本技術(shù)采用的改性尼龍66以聚四氟乙烯、鋁青銅粉、Grafoil石墨以及其它添加劑為同時(shí)作為填充物, 而非單一填充物。

尼龍66是典型的硬而韌的聚酰胺類聚合物, 由于韌性好, 變形能力強(qiáng), 因此是作為密封圈的極佳材料, 耐磨性能優(yōu)異, 綜合力學(xué)性能優(yōu)于聚四氟乙烯等通用塑料。

聚四氟乙烯力學(xué)性能不好, 抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度不高, 回彈能力差, 單獨(dú)作為密封圈材料會(huì)降低密封圈使用性能及壽命。但聚四氟乙烯具有良好的密封性能、耐高溫、耐低溫以及耐磨性能, 降低聚四氟乙烯的含量, 作為填充物使用, 可以提高密封圈的綜合性能。填充鋁青銅粉可以減小摩擦系數(shù)、提高材料的抗壓強(qiáng)度, 同時(shí)使密封圈具有自潤(rùn)滑作用, Grafoil石墨可以提高密封圈的耐候、耐高溫性能, 同時(shí)作為潤(rùn)滑劑, 降低磨損。

馬來酸酐接枝聚丙烯的加入對(duì)尼龍66有顯著的增韌作用, 碳素纖維與玻璃纖維作為增強(qiáng)劑, 可以提高密封圈的強(qiáng)度、抗張性能及耐高溫性能。

2.3 發(fā)明了低變形量、高韌性、焊縫免焊后熱處理的焊接工藝, 保證閥座支撐浮動(dòng)、活塞雙向密封的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目產(chǎn)品的殼體是鍛鋼件, 要用焊接的方法把它焊成一個(gè)整體, 并用焊接把內(nèi)件封閉起來, 焊接是最后一道工序, 也是最關(guān)鍵的一道工序。為了確保產(chǎn)品的密封性能, 必須要達(dá)到低變形、低應(yīng)力、低層間溫度、高精度和高韌性的要求, 因此要對(duì)焊接工藝進(jìn)行創(chuàng)新, 采用U形、小角度、窄間隙、低線能量的埋弧焊。為圓滿攻克焊接工藝難關(guān), 我們采用數(shù)值分析法、有限元分析、進(jìn)行焊接工藝評(píng)定、變形測(cè)試、焊后免熱處理的安全評(píng)估等試驗(yàn)研究分析。

基于上述研究, 本項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)了獨(dú)特的焊接坡口結(jié)構(gòu):a.根部為U形 (R5～7.5) ;b.焊根為2×1;c.小角度 (與端面的夾角為2～6°, 或夾角4～12°、口徑越小角度越大) ;d.閥體組裝后的焊接坡口為窄間隙 (12～23mm, 56in最大時(shí)為24mm) , 同時(shí)優(yōu)化了焊接工藝參數(shù), 該工藝參數(shù)為:焊接材料為H08MnA+HJ431配對(duì);焊接電流220～260A、電流極性為DC、最大層間溫度120℃、多道路焊;焊接技巧為運(yùn)絲方向?yàn)樽蠛阜ā：附幼冃蔚男Ч麨閺较蜃冃巍?.4mm, 軸向變形≤1.2mm。該工藝采用了多層焊技術(shù), 后續(xù)焊道對(duì)前一焊道具有很好的回火作用, 因此焊縫的熔敷金屬晶粒細(xì)小, 加之每道焊層的厚度較小, 所以焊縫的韌性很好, 裂紋尖端張開值CTOD為0.309mm。韌性高可以使焊根的裂紋不會(huì)有擴(kuò)大的傾向, 可以免除焊后熱處理, 有效提高產(chǎn)品的密封性能。

傳統(tǒng)的窄間隙焊接坡口

1、閥門中腔2、左右體3、窄間隙坡口4、中體

窄間隙、U形坡口示意圖 下載原圖

1、中體、2、左右體

2.4 具有雙活塞效應(yīng)、能滿足雙隔離和排放的DIB功能要求的一種整體式雙向密封球閥閥座技術(shù)

采用一種整體式雙向密封的球閥閥座, 支撐圈安裝在閥體內(nèi), 在支撐圈上且與球體的球面接觸處設(shè)有主密封圈, 在閥體上且與支撐圈的大外圓的側(cè)面接觸處設(shè)有彈性件, 其特征在于支撐圈的大、中、小三個(gè)外圓與閥體的三個(gè)內(nèi)圓相應(yīng)配合, 且在支撐圈的小外圓的臺(tái)階面以及與之相配合的閥體內(nèi)圓的臺(tái)階面之間形成的空間處設(shè)有一個(gè)增大的O型密封圈。

采用本技術(shù), 一是在閥座的徑向上減少了一個(gè)漏點(diǎn), 改善了密封性能, 二是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化, 體積變小, 減小了閥門密封副尺寸, 也就減小了閥門的啟閉力矩, 提高了閥座密封環(huán)和閥門的使用壽命;三是無論介質(zhì)是從哪個(gè)方向進(jìn)入閥門, 進(jìn)口端與出口端都可以獲得密封, 因此, 即使沒有活塞組件也具有雙活塞效應(yīng)并能實(shí)現(xiàn)雙向密封。整體式雙向密封的球閥閥座結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3。

參照?qǐng)D3, 該球閥閥座包括球體2、支撐圈4和閥體5, 支撐圈4安裝在閥體5內(nèi), 球體2與支撐圈4相銜接, 在支撐圈4上且與球體2的球面接觸處設(shè)有主密封圈3, 在閥體5上且與支撐圈4的大外圓7的側(cè)面接觸處設(shè)有彈性件6, 支撐圈的大外圓7、中外圓8、小外圓9與閥體5的三個(gè)內(nèi)圓相應(yīng)配合, 且在支撐圈4的小外圓9的臺(tái)階面以及與之相配合的閥體5的內(nèi)圓的臺(tái)階面之間形成的空間處設(shè)有增大的O型密封圈1。

整體式雙向密封的球閥閥座結(jié)構(gòu)示意圖

O型密封圈1、球體2、主密封圈3、支撐圈4、閥體5、彈性件6、大外圓7、中外圓8和小外圓9

使用時(shí), 如果介質(zhì)從右向左流動(dòng), 在介質(zhì)的壓力作用下, 一是O形密封圈1向左滑動(dòng), 使O型密封圈1貼緊支撐圈4的中外圓8的側(cè)面和支撐圈4的小外圓9的表平面, 同時(shí)漲緊閥體5的內(nèi)圓, 消除了閥體5與支撐圈4之間的泄漏點(diǎn);二是使主密封圈3貼緊球體2的球面, 實(shí)現(xiàn)了主密封圈3與球體2之間的密封。如果介質(zhì)從左向右流動(dòng), 在介質(zhì)的壓力作用下, 一是O形圈1向右滑動(dòng), 使O型密封圈1貼緊閥體5的內(nèi)圓和支撐圈4的小外圓9的表平面, 消除了閥體5與支撐圈4之間的泄漏點(diǎn);二是使主密封圈3貼緊球體2的球面, 實(shí)現(xiàn)了主密封圈3與球體2之間的密封。

由上述可見, 該閥座取消了原閥座結(jié)構(gòu)中的活塞組件, 且只有一個(gè)增大的O型密封圈1, 在徑向上減少了一個(gè)漏點(diǎn), 改善了密封性能;同時(shí), 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化, 體積變小, 也減小了閥體的體積;縮小了閥門密封副尺寸, 降低了密封比壓, 減小了閥門的啟閉力矩, 因此提高了閥座密封環(huán)和閥門的使用壽命。另外, 無論介質(zhì)是從哪個(gè)方向進(jìn)入閥門, 進(jìn)口端與出口端都可以獲得密封, 實(shí)現(xiàn)了雙向密封, 雖沒有活塞組件但具有雙活塞效應(yīng)。即使沒有活塞組件也能實(shí)現(xiàn)雙向密封。

2.5 提供能在生產(chǎn)狀態(tài)及時(shí)更換密封件的一種分體結(jié)構(gòu)閥蓋

本結(jié)構(gòu)其特征在于它呈分體結(jié)構(gòu), 包括軸套和壓蓋二部分, 壓蓋位于軸套之上且銜接在一起。將閥蓋分成軸套和壓蓋, 能在帶壓的情況下將軸套拆下更換軸套與閥桿之間的密封件, 確保了安全生產(chǎn)。

螺栓一

1、壓蓋2、閥桿3、軸套4、螺栓二5、閥體6

該球閥的閥蓋呈分體結(jié)構(gòu), 包括軸套4和壓蓋2, 軸套4和壓蓋2通過螺栓一1相連接, 且壓蓋2位于軸套4之上, 軸套4通過螺栓二5與閥體緊固。使用時(shí), 將軸套4和壓蓋2套在閥桿3上, 安裝好各密封件, 緊固好螺栓一1和螺栓二5即可。如果閥門使用較長(zhǎng)時(shí)間或出現(xiàn)外漏時(shí), 拆下螺栓一1, 便可取出壓蓋2, 這時(shí), 由于軸套4仍通過螺栓二5緊固, 仍可保證閥桿3不飛出, 確保閥門的正常工作。

3 結(jié)論

產(chǎn)品采用自主研發(fā)的氣液雙聯(lián)動(dòng) (雙保險(xiǎn)) 的切斷控制方法, 滿足了天然氣管道輸送的安全要求;閥座密封圈采用改性尼龍66材料, 提高了密封圈的綜合性能;閥座密封采用整體雙向密封結(jié)構(gòu), 能滿足雙隔離和排放 (DIB) 的功能要求, 降低了閥門的啟閉力矩;設(shè)計(jì)的分體結(jié)構(gòu)的閥蓋, 能在帶壓情況下將軸套拆下更換軸套與閥桿之間的密封件, 滿足天然氣輸送的安全生產(chǎn)。