抗硫球阀密封结构选材研究.pdf

第 1 2 期 2 0 1 2年 1 2月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 71 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 2 0 1 7 1 0 3 抗硫球 阀密封结构选材研究 木 张潇 邓雄 梁政 王飞 1 ．西南石油大学 机电工程学院， 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ．西南石油大学 石油工程学院， 成都 6 1 0 5 0 0 Se l e c t i o n Re s e a r c h f o r Se a t Se a l i n g o f An t i - Co r r o s i on Ba l I Va l v e Z HANG Xi a o ， DEN G Xi o n g ， L I ANG Z h e n g ， WANG F e i 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a td ’ l 一 十dE q 、 ● 十 -， ／ ’ 十 ’ I ／ 十 d 十d ’dp ’ q、 ● 、t 、t十 十4 、 t 1、 ￡一 十 d 1、 ● 1、 ● q、 e一 十 、 一 十 ／ hl q、 t 1、 t 1、 ● 1、 一 卜 t 十 q、 t 1、 ● 1、t 1、t ●一 【 摘要】 近年来， 随着我国天然气工业的迅猛发展， 涌现了 一大批亟待开发的高含 H 2S气田。 开展 高含硫气田开发中的抗硫球 阀密封结构的研究， 解决 目前抗硫球 阀应用中， 经常 出现密封面腐蚀、 泄露 等问题， 对确保高含硫气田开发地面系统的安全和平稳供气具有重要意义。以阀座密封面为研究对象， 运用P r o ／ E对阀门密封件建模， 并无缝连接到A N S Y S中进行接触分析， 分析不同阀座结构及材料的密 封性能。研究结果显示 在材料屈服极限内， 普通夹层阀座具有最大的连续接触压力， 设计比压误差最 小。 为最优选型。 关键词 抗硫球 阀； 接触分析 ； 密封比压 ； AN S Y S ． 【 A b s t r a c t 】 ／ n r e c e n t y e a r s ， w it h r a p i d d e v e l o p m e n t o fC h i n a ’ S n a t u r a l g a s i n d u s t ry ， a l ar g e n u m b e r of u n t app e d h i g h H 2 S g a s fie l d h as s p r u n g u p ．An d i t h as g r e at s i g n ific a n c e f o r gro u n d s y s t e m s a f e t y a n d s t a b l e s u p p l y a n d s o l v i n g t h e p r o b l e m s ofs e a l i n g s u a c e c o r r o s i o n , l e a k s a n d o t h e r i s s u e s oft h e b a l l v a l v e i n h y - d r o g e n s u lfi d e e n v i r o n m e n t s ． T h e r e s e arc h t ake s c o n t a c t s u F f ace ofv al v e s e at t h e r e s e arc h o b j e c t , a n d a n al y z e s t h e s e a l i n gp e r f o r m anc e a mo n g s t r u c t u r e s a n d m ate r i a l s ． U s i n g P m／ E t o mo d e l t h e v alv e s e a l a n d s e am l e s s l y C O n l C t t o A N S Y S f o r c o n t act i n g a n al y s i s ． Wi t h i n t h e m a t e r i al y i e l d l i mi t ， t h e r e s u l t s oft h e s t u d y s h o w t h at t h e o r d i n a r y s an d w i c h v alv e s e at wi t h t h e ma x i mu m c o n t i n u o u s c o n t act p r e s s u r e a n d t h e mi n i mu m e r r o r u n d e r t h e d e s i g n e d s p e c ific p r e s s u r e i s t h e o p t i mi z at i o n m o d e 1 ． Ke y W o r d s An t i - Cor r o s i o n Ba l l Va V l e C0 n t a c t Ana l y s i s ； S e a l i ng Pr e s s ur e； ANSYS 。 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1引言 随着石油、 天然气等工业的迅速发展， 阀门市场的变化将越 来越快 ， 阀门更新的要求也将越来越高， 研制、 更新、 延伸适合于现 代石油、 天然气工业的阀门是越来越紧迫的首要任务。特别是近年 来涌现的一大批亟待开发的高含 H s气田㈣， 为了更加安全 、 环 保、 科学地开发这类高含硫气田， 确保下游安全平稳供气， 开展抗 硫球阀密封结构分析与优化研究， 提高抗硫球阀的密封可靠性 意义重大。 2阀座结构及选材 2 ． 1阀座结构 目前球阀阀座的结构多种多样， 大致分为普通阀座和弹性 阀座两大类f 7】 ， 如图 1 所示。 普通阀座是在预紧力或流体压力作用下， 阀座与球体压紧， 并使阀座材料产生弹塑性变形而达到密封， 其密封效果取决于阀 座在流体压力或预紧力的作用下， 能够补偿球体不圆度和不平度 的程度。 弹性阀座 是除了预紧力或流体压力外 ，借助阀体本身特殊 结构或弹性元件， 来补偿温差、 压差等对密封眭能造成的影响。 a 单一结构普通阀座 b 夹层结构普通阀座 c 单一结构弹性阀座 d 夹层结构弹性阀座 图 1阀座结构示意图 F i g ． 1 Va l v e S e a t S t r u c t u r e Di a g r a m 1 ． 阀座 2 ． 阀芯 3 阍座支撑圈 4 ． 弹簧 ★来稿日期 2 0 1 2 0 2 1 1 ★ 基金项目 省部共建“ 石油与天然气装备” 教育部重点实验室开放基金 2 o o 6 s T s 0 2 四川省教育厅 自 然科学重点实验室专项基金 2 0 0 6 Z D 0 4 3 1 7 2 张潇等 抗硫球阀密封结构选材研 究 第 l 2期 2 I 2阀座选材 抗硫球阀主要通过加强密封结构及改进材料来区别一般球 阀， 并严格按照美国腐蚀工程师协会 N A C E的有关标准， 从设计、 选材、 表面处理等方面加强耐腐蚀性能， 提高使用寿命。 然而影响 球阀密封陛能的因数较多， 主要有以下几方面 1 密封副的质量 主要表现在阀芯不圆度及阀芯阀座密封 面的粗糙度。 不圆度影响阀芯与阀座的阻力， 粗糙度影响泄漏量； 2 密封面的比压 比压是由于阀前阀后的压力差引起的， 而渗透量与压差的平方成正比， 故适当地增加比压有助于密封 ； 3 阀芯阀座的硬度差 增加摩擦副的硬度差 ， 可以在一定 程度上降低磨损； 4 线膨胀系数 由于材料对温度改变所引起的响应不同， 故应选用线膨胀系数接近的材料， 避免因温度改变引起泄露。 阀门设计工况为 压力 1 5 M P a ， 含 H2 S 5 0 ／ m] ， 属于高压高含 硫， 采用固定球阀。 阀芯材料由于经常开闭阀门造成磨损，一般的表面处理不 能很好的耐交变应力磨损、 点蚀、 氢脆等。 故选择奥氏体金相组织 I n c o n e l 7 1 8 合金， 其具有优良的机械陛能、 易加工、 极好的耐应力 腐蚀开裂和点蚀的能力。 阀座选材常用聚四氟乙烯， 但由于其具有冷流性， 且不适用 于高压环境。可换用填充碳纤维的改性聚醚醚酮 P E E K 作为软 密封材料， 其具有优良的耐交变应力疲劳、 耐腐蚀、 自 润滑性、 可 与合金媲美的韧性与刚度。也可以采用高性能的 I n c o n e l 7 1 8 作 为硬密封材料。密封材料的选配情况， 如表 1 所示。 表 1密封结构及选材 T a b ． 1 Se a l i n g S t r u c t u r e a n d t h e Se le c t i o n o f Ma t er ia l s 3有限元分析 3 ． 1有限元模型建立 通过 P r o ／ E建模并将 1 ， 2 模型无缝导入 A N S Y S中，选用型 号2进行分析。由于阀芯采用 I n c o n e l 7 1 8 ， 可用高阶 3 维带中间 节点的四面体固体结构单元 s o l i d 1 8 7模拟 ， 其具有二次位移模 式可以很好地模拟不规则网格模型。 阀座采用填充碳纤维的改性 P E E K， 也采用 s o l i d 1 8 7 模拟， 它能很好的模拟几乎不能压缩的次 弹性材料和非线性的弹性接触模型。 将阀芯阀座采用等级为 4的 自由网格划分， 生成 2 2 6 1 1 个节点， 1 4 5 4 7 个单元。 3 ． 2设置材料属性 阀芯材料 I n c o n e l 7 1 8 ， 弹性模量 2 ．0 4 x l 0 5 MP a ， 泊松比0 ．3 1 ； 阀座材料 填碳纤维改性 P E E K， 弹性模量 2 ．2 x 1 0 M P a ， 泊松比 O ．4 4 ； 相关材料参 “ 】 ， 如表 2 所示。 表 2密封材料参数 T a b ． 2 S e a l i n g Ma t e r i a l P a r a me t er s 3 ． 3建立接触对 采用自动接触工具， 建立面一 面， 柔一 柔接触。由于型号 2 为夹 层结构， 故其有3 组接触对。 1 接触对 1 阀芯凸面为 c o n t a c 1 7 4接触单元， 阀座凹面为 t a r g e l 7 0目标单元。 2 接触对 2 阀座外侧面为接触单元 ， 支撑圈内侧面为 目标 单元。 3 接触对 3 阀座顶面为接触单元， 阀座支撑圈底面为目标 面； 设置穿透容差0 ． 1 ， 摩擦系数 0 ． 1 ， 选择C l o s e G a p ／ r e d u c e P e n e t - r a t i o n以减小网格划分引起的初始侵入以及初始间隙。 3 ． 4施加约束及载荷 对阀芯底面施加全约束， 阀座外表面 ， Y方向约束 ， 在阀座 底面沿流体方向施加均布压力， 如图2 所示。 图2加载及约束 F i g ．2 L o a d i n g a n d Re s t r a i n t 根据设计工作压力P 1 5 M P a ， 由经验公式得到必需比压 P b 1 ． 2 ， P 1 8 MP a ； 在 P r o ／ E中测量 阀座外径 d l 1 3 3 ．4 ra m； 阀座密封 圈外径D 2 -- 1 1 4 ．0 8 mm； 阀座密封圈内径 D 9 4 ram， 密封环面面积 S -- - 4 5 9 2 ． 9 6 m m ； 阀座底面面积 S 7 0 3 6 ． 8 2 mm 。 ； 密封面法向与 流体流动方向夹角， c o s - 0 ． 9 3 7 ； 由于采用阀前阀座密封， 故理论设 计 比压 口 二 - ； 1 D i D 在流体压力及预紧力作用下，对阀座底面施加的均布压力 载荷 P 】 计算式为 D c o s b ‘ q‘ S 环 一 S底 通过计算得到 1 6MPa。 3 ． 5结果后处理 经求解收敛后， 2 理论设计比压为 2 6 ． 1 7 M P a ，均布压力为 通过选定接触面，并将节点映射到所选面