影响阀门开关密封及开关力矩的研究

【摘要】API6A井口装置和采油树是油气田开采的重要设备，由套管头、油管头、采油树三部分组成，用来连接套管柱、油管柱，并密封各层套管之间与油管之间的环形空间，并可控制生产井口的压力和调节油（气）流量，也可用于酸化压裂、注水测试等特殊作业。井口装置和采油树的现场使用条件非常苛刻，环境温度范围可达-60℃-345℃，同时还有可能接触到高二氧化碳、高硫化氢等腐蚀环境，而且还要承受高压，是地面控制高压流体的重要设备，可靠性至关重要，一旦失效将可能造成人身安全、设备损坏及环境污染等灾难性后果。

【关键词】阀门开关 密封 开关力矩 研究

平板阀门作为采油树上控制压力的关键部件，显得尤为重要。要求其使用安全性、可靠性、操作快捷方便性也非常高。根据不同的工况及用户使用要求，井口装置阀门材料级别从AA级到HH级，性能级别PR1-2，规范级别PSL1-4，温度范围-60℃-345℃，阀门性能的好坏直接影响到井口装置的安全使用性，因此阀门从设计、生产、使用等各环节都要严格控制，以达到阀门的最佳工作状态。

体现阀门工作性能的两大重要参数就是密封性和开关力矩。我们通过大量的现场试验，总结了影响阀门密封和开关力矩的因素。

1 平板阀的密封性

平板阀的密封部位有：

（1）阀杆的密封；

（2）阀盖与阀体的密封；

（3）阀座与阀板的密封；

（4）阀座与阀体之间的密封。

1.1 阀杆的密封

现在使用的阀门阀杆处密封最普遍的有两种密封形式：一种为丁晴橡胶材料的唇形结构，该密封件截面为唇形，唇口内放置一O型圈，使用过程中一般采用2-3组密封件，最高密封压力为15000Psi，它的缺点为阀门带压时，唇形密封件完全胀开，将阀杆紧紧抱住，增加阀杆在转动时的阻力，使得阀门的开关力矩大大增加，因此建议该密封结构最高使用到10000Psi，由于密封件材料的限制，使用具有一定抗腐蚀性能的氢化丁晴橡胶材料也只能最高使用到EE级环境。

另一种结构为U形弹性张力圈，该密封件材料为PTFE，密封件的截面为U形，主体内镶嵌不锈钢弹簧组成，最高密封压力为20000Psi，使用该密封件要求与之配合的阀盖内孔和阀杆外圆加工精度要高，阀盖密封面粗糙度至少要达到0.8，阀杆密封面粗糙度要达到0.2，由于PTFE材料较硬，密封件内有不锈钢弹簧支撑，受压时密封件与阀杆之间的摩擦系数小 对阀杆的摩擦阻力要小，因此大大减小了阀门的开关力矩。另外PTFE具有高耐腐蚀性，经过改性的密封材料最高可以使用到HH级环境。

1.2 阀盖与阀体的密封

阀体与阀盖之间都采用金属密封，结构主要有：

（1）阀体与阀盖密封面上加工水线，密封件为3-5mm厚的金属密封环，阀盖设计有一凸台与阀体内孔配合定位，通过螺栓上紧，密封件产生变形，嵌入到水线内，实现密封，最高使用压力为15000Psi。

（2）阀体与阀盖之间设计了垫环槽的密封结构形式，该密封结构要求阀盖密封槽的加工精度与安装阀杆密封件的孔的同轴度小于0.05mm，阀盖与阀体组装后的位置也通过垫环槽定位。该密封结构最高可以使用到20000Psi。

1.3 阀座与阀体的密封

（1）阀座与阀体之间通过O形圈密封，阀座外圆上设计有O型圈密封槽，与阀体安放阀座的内孔实现密封，密封能力最高15000Psi，但是由于材料的限制，即使使用具有一定抗腐蚀性能的氢化丁晴橡胶材料也只能最高使用到EE级环境。

（2）阀座与阀体之间采用PEEK的U形弹性张力圈密封，阀座与阀体接触的端面上有两道密封槽每个槽内安装有一U形密封件，阀座与阀体之间通过密封件实现端面密封，该密封形式最高可以使用到20000Psi，PEEK具有高耐腐蚀性能，可以使用到HH级环境，该密封结构安装方便，密封可靠，但是要求阀座密封槽的加工精度要高，阀体密封面的粗糙度要达到0.8才能保证有效的密封。

1.4 阀座与阀板之间的密封

阀座与阀板之间采用硬密封，现在阀座和阀板密封面采用较普遍的工艺为堆焊镍基合金和超音速喷焊合金工艺。采用超音速喷焊工艺喷焊材料与基体结合力要大，不容易脱落。涂层附着力： 70～80Mpa，涂层的硬度：HV1000-1200，密度：11.8g/cc，孔隙率：< 1%，用于高端的阀门。

在选用阀板与阀座时，要考虑到阀板与阀座之间必须有硬度差，才能保证很好的密封效果，根据使用经验，一般阀板比阀座硬度要高5-10HRC。

2 阀门开关力矩的影响因素

影响阀门开关力矩的因素较多，经过我们实验，总结如下几点：

（1）密封结构，经过我们大量的实验总结，阀门采用阀后密封的结构要比阀前密封的结构省力，如80-70阀门，阀前密封带压开启力矩为250Nm，阀后密封结构为135Nm，其主要原因为阀前密封在带压开启过程中阀板两个面都受到阀座的摩擦力，而阀后密封的结构带压开启过程中阀板只有一个面都受到阀座的摩擦力，经过理论计算力矩减小将近1/3，实验结果也基本减小了1/3。

（2）阀杆与阀板的连接配合尺寸。阀杆与阀板之间如果采用T型结构的形式则阀杆螺母与阀板的各方向的间隙因保证在0.6mm-0.8mm之间，以保证阀板在受压后能够无阻碍的平移，避免阀杆螺母与阀杆发抗，阀杆产生微量的弯曲变形，影响阀门的开启力矩，如果采用阀杆螺母与阀板一体的结构，则要严格控制阀杆与阀杆螺母螺纹副之间的间隙，应控制在单向0.5mm左右，保证阀板有一定的平移间隙。

（3）阀板与阀体内腔孔配合尺寸要合理，防止阀板在开启关闭过程中拉伤阀体内壁，使得阀门开启力矩超标，阀杆轴头与阀杆之间的间隙要确定好，防止在开启过程中阀杆与轴头之间拉伤，影响阀门的开启扭矩。

（4）阀门的开启结构：普通的阀门一般都采用阀杆螺母与阀杆通过T型螺纹传动的结构，一般压力低、通径小的阀门采用上述结构。大通径高压力阀门可以采用省力机构伞形齿轮结构或滚珠丝杆结构来减小开关力矩。采用大齿轮配搭小齿轮的原理和滑轮一样，省力不省功，也就是力小了，但走的路程就长了；力大了，走的路程就短了，因此采用伞形齿轮结构的缺点为开关圈数多，开关阀门所需要的时间长。

采用滚珠丝杠结构力矩为滑动丝杠副的1/3，传动精度高，传动比可以为1：1.因此开关圈数少，时间短。但是滚珠丝杆要求加工精度高，价格比较高。

（5）阀杆与阀杆螺母的热处理工艺：阀杆螺纹处进行硬化处理，可以采用氮化或表面木聚糖处理等工艺，保证阀杆螺纹耐磨，减小阀杆螺母副之间的摩擦系数。密封外圆处进行硬化处理，提高表面硬度，减小阀杆密封外圆与密封件的摩擦力，延长密封件的使用寿命，减小阀门的开关力矩。

以上是经过大量现场实验总结的一些影响，API6A平板阀的密封性和开关力矩等工作性能方面的因素，阀门性能好坏除了与上述关系密切外，阀门整体的设计结构，加工精度、装配精度也是影响阀门性能重要的因素，因此要想保证阀门的工作性能，各个细节方面都要仔细，才能近一步提高阀门的整体性能，进一步提高安全使用性。