高压闸阀阀板与阀座摩擦因数的试验研究

收稿日期: 2007-08-02 基金项目:省部共建/ 石油天然气装备0教育部重点试验室(西南石油大学)资助项目( 2006sts03) 作者简介:钟功祥( 1962- ) ,男, 四川成都人, 副教授, 1989 年获西南石油大学石油机械工程专业硕士学位, 主要从事石油 机械工程科研和教学工作, E-mail: zhonggx3170@ 163. com。 文章编号: 1001-3482( 2008) 02-0059-03 高压闸阀阀板与阀座摩擦因数的试验研究 钟功祥,吕治中,梁 政 (西南石油大学 ,成都 610500) 摘要:在打开完全关闭状态的闸阀时,由于闸板与阀座密封面充分接触, 使闸板与阀座密封面滑动 摩擦力达到最大值, 导致阀板驱动机构所受力也达到最大值。为确保设计的阀板驱动机构能在阀 门全关状态下顺利打开阀门, 必须较准确地计算出阀门与阀座之间的摩擦力,而阀门与阀座的摩擦 因数难以确定。通过试验的方法测出了油气田现用闸阀的阀门与阀座的摩擦因数,为设计提供了 重要基础数据。 关键词: 闸阀;驱动机构;试验;摩擦力;摩擦因数 中图分类号: TE93 文献标识码: A The Experiment Survey of Frictional Coefficient between Valve Plank and Valve Seat in High Pressure Gate Valve ZHONG Gong-x iang , L B Zh-i zhong, LIANG Zheng ( S outhw es t Petroleum Univer sity , Chenngd u 610500, China) Abstract: When the valve is closed completely , the complete sealing betw een the valve plank and the valv e seat makes the glide fr ict ional force reach to max imum value, r esult ing in force on the valve driving mechanism, also r eaches the max imum value. In or der to insure that the designed valve dr iv ing mechanism can open smoothly in a clo sed state, the g lide fr ict ional force of the sea-l ing surface of v alv e plank and valv e seat must be computed accurately. T he problem is that it is hard to confirm the fr ict ional coef f icient betw een the sealing sur face of valve plank and valve seat. This thesis presents the test coeff icient of f rict ion of the sealing surface of v alve plank and valve seat of the valve o f oil f ield through experiment, providing the impor tant foundat ion data for the design of the valve. Key words: gate valv e; dr iv ing mechanism; exper iment ; frictional force; f rict ional coef f icient 高压闸阀广泛应用于油气田生产领域中。阀门 在全开状态时, 进出口压力相等,对阀杆施加较小的 轴向力即可关闭阀门;在全关闭状态时,进出口压力 相差很大,有的情况是一侧压力为高压(上百兆帕) , 另一侧压力为零,在移动阀板打开阀门时,需对阀杆 施加相当大的轴向力。阀板打开时的受力是设计阀 杆及驱动阀杆机构的关键数据。阀门打开时的阀杆 所受的最大力主要来自阀板与阀座的摩擦力,但由 于阀板与阀座的摩擦因数难以确定, 导致其大小难 以较准确的计算。本文将通过试验的方法测定阀板 与阀座的摩擦因数。 1 平板闸阀结构原理 1. 1 结构 2008 年 第 37 卷 石 油 矿 场 机 械 第 2 期 第 59页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008, 37( 2) :59~ 61 平板闸阀主要由阀体、阀座、阀板、阀杆及与阀 杆连接的阀板驱动机构等组成, 如图 1。阀板驱动 机构通常有手动螺杆、液缸和气缸。 1 ) 阀体; 2 ) 密封圈; 3 ) 阀座; 4 ) 波形弹簧; 5) 阀板; 6) 阀盖; 7) 密封组件; 8 ) 密封压盖; 9 ) 阀杆 图 1 平板闸阀结构 1. 2 工作原理 由阀板驱动机构驱动阀杆,阀杆带动阀板,实现 闸板的上下运动, 从而使阀门开和关。闸板与阀座 通常采用浮动对称结构。在全开状态时, 进出口压 力相等,阀座与阀体间的波形弹簧能使闸板和阀座 自动回正。在全关闭状态下, 高压介质将闸板推向 低压端使阀座形成密封, 同时高压端阀座在高压介 质和弹簧推力的共同作用下, 被推向闸板并达到必 须的密封比压。 2 阀板与阀座摩擦因数分析 闸阀关闭状态比全开状态阀杆受力恶劣许多, 所以只需要分析闸阀关闭状态下阀板与阀座的摩擦 受力情况。 闸阀完全关闭时,闸板与阀座密封面充分接触, 从而使二者之间的滑动摩擦力达到最大值, 此时阀 杆所受的轴向力最大。以图 2所示气缸驱动平板闸 阀模型(试验测试时用)分析阀板与阀座摩擦因数计 算式[ 1-2] 。 图 2 阀板与阀座摩擦因数分析模型 阀杆的轴向力平衡式为 Fq= Fm1 + Fm2+ Fm3+ Fm4 ( 1) 式中, Fq 为气缸对阀杆的作用力, N; Fm1为高压侧 阀座与阀板之间的摩擦力, N; Fm2为低压侧阀座与 阀板之间的摩擦力, N; Fm3为阀杆密封对阀杆摩擦 力, N; Fm4为气缸活塞与缸套之间的摩擦力, N。 Fq= P 4 ( D 2 - d 2 ) p q ( 2) 式中, D 为气缸活塞直径, mm; d 为阀杆直径, mm; p q为气缸气压, MPa。 Fm1= ( F1+ Fy1 ) L ( 3) 式中, F t 为波形弹簧对阀座的作用力, N; F y1为高压 流体对阀高压端阀座的作用力, N。 Fy1= P 4 ( d 2 2- d 2 1) p y ( 4) 式中, d2 为阀座外径, mm ; d1 为阀座内径, mm; p y 为阀进液压力, M Pa; L为阀座与阀板的摩擦因数。 Fm2= ( F t + Fy2 ) L ( 5) 式中, F t 为波形弹簧对阀座的作用力, N; F y2为高压 流体对阀低压端阀座的作用力, N。 F y2 = P 4 d 2 2p y ( 6) 将式( 2) ~ ( 6)代入式( 1) ,考虑到当阀进口压力 大于 20 MPa 时, ( Fm3 + F m4 ) n ( Fm1 + Fm2 ) , 且 n Fy1、Fy2 ,整理得阀座与阀板的摩擦因数计算式为 LU D 2- d2 2d22- d21 # p q p y ( 7) #60# 石 油 矿 场 机 械 2008 年 2 月 3 摩擦因数的试验与结果 3. 1 试验装置及 试验装置如图 3。测试阀保持图示状态, 操作 手摇高压油泵将阀进口压力升至设定压力。打开氮 气瓶阀门,调节减压阀至气缸驱动阀板打开阀门, 同 时读取闸阀进口压力测试和气缸压力测试表的最 大压力值 p y、p q。操作手动换向阀, 将阀门恢复至 图示状态,继续下一步试验测试。测试闸阀的结构、 材料及加工工艺与现场油气田使用的某厂高压闸阀 相同。 1) 闸阀; 2) 气缸; 3) 手动换向阀; 4) 气缸压力表; 5) 减压阀; 6) 高压氮气瓶; 7) 手动高压油泵; 8 ) 闸阀进口压力表 图 3 阀板与阀座摩擦因数试验装置 3. 2 试验结果及分析 试验测得了闸阀进口压力 p y 和气缸压力 p q , 将该压力值及阀、气缸的结构参数代入式( 6) , 计算 阀座与阀板摩擦因数值, 列于表 1中。 从表 1看出, 阀座与阀板的摩擦因数不是固定 不变的常数,而是随着阀进口流体压力的增加明显 下降。显然,在阀进口压力较低时,阀座与阀板摩擦 因数远大于从机械设计手册[ 3] 查出的值 ( 01 10 ~ 01 12)。只有当阀进口压力大于 85 MPa时,该摩擦 因数才接近机械设计手册查出的值。为了确保所设 计的阀板驱动机构能顺利开关阀门,可根据阀关闭 压力插值计算相应阀板与阀座摩擦因数, 使计算的 摩擦力更准确。 表 1 闸阀阀板与阀座摩擦因数值 序号 闸阀进口压力 p y / M Pa 气缸气压 p q / MPa 阀座与阀板 摩擦因数 1 20 1. 20 0. 31 2 20 1. 15 0. 30 3 40 1. 30 0. 17 4 40 1. 30 0. 20 5 61 1. 50 0. 16 6 61 1. 80 0. 15 7 85 2. 00 0. 12 8 89 2. 00 0. 12 9 106 2. 30 0. 11 10 105 2. 20 0. 11 4 结束语 阀板驱动机构是闸阀的重要组成部分, 设计时 必须保证阀在额定压力、全关闭状态下能顺利打开。 利用本文测定的阀板与阀座摩擦因数设计计算的阀 驱动机构, 能确保所设计闸阀在关闭状态下顺利 打开。 参考文献: [ 1] 陆培文. 实用闸阀设计手册[ K] . 北京: 机械工业出版 社, 2004: 959-956, 1077-1078. [ 2] 洪勉成. 阀门设计计算手册[ K] . 北京: 中国出版 社, 1994: 92-93. [ 3] 成大先. 机械设计手册: 第 1 卷[ K ] . 北京:化学工业出 版社, 2002: 1-8. 兰石所承接苏丹佩托达 #奥博雷丁 公司多个项目 兰州石油机械研究所海洋工程部在承担国内海洋石油 工程项目的同时, 也积极开拓国外市场。经过努力 , 2007 年 先后承接了苏丹佩托达# 奥博雷丁股份有限公司 ( P etrodar Operating Company, Ltd. ) 12 个项目, 设备包括 130 台 清管发射/接收器、23 台管壳式换热器、2 台冷放空烟囱、1 台电脱水橇、2 台 CPI 分离器、1 台闭式排放罐、1 台火炬分 液罐、1 台放空洗涤罐。这些设备先后用于苏丹加萨布 ( Gassab)、迈卢特盆地( Melut Basin)、马里塔( Maleeta)和古 马里( Gumary )等油田。电脱水橇项目的成功签订标志着兰 石所电脱水技术和设备第一次打入国际市场。上述设备在 上海蓝滨石化设备公司全部采用 ASM E 标准设计和制造。 (摘自兰石所网) #61# 第 37 卷 第 2 期 钟功祥, 等:高压闸阀阀板与阀座摩擦因数的试验研究