管道用水击泄压阀密封性能分析

管道用水击泄压阀密封性能分析

1自动保护装置丹尼尔先生式水压挡压阀是丹尼尔（美国）制造的专用于油压挡压阀。该阀广泛应用于原油输送线网。这是一种理想的自动压力管理系统。当管路内油品压力出现超压(即超过整定压力)时,先导式水击泄压阀通过先导阀动作,使主阀锥头开启并排放泄压,直至管路压力低于整定压力,主阀锥头自动复位,并保持密封状态,从而可避免因输油过程中管路系统的超压而导致管线发生破裂事故或设备的损坏。本文针对阀门在管线上出现的主阀起跳后无法复位或复位后无法密封等问题,通过对阀门动作原理的分析和密封机理的探讨,提出阀门在输油管路装置中安全状态运行的解决办法。2结构类型阀门由主阀、先导阀、过滤器和集成块组成(图1)。3b处先导阀反应动作控制先导式水击泄压阀是靠先导阀控制主阀动作。管道介质压力作用于主阀前端,同时通过引压管进入先导阀,管道介质压力作用于先导阀的小活塞并产生轴向力。活塞轴向力与先导阀调整弹簧力相互作用,两者作用力大小不同,其差值促使阀瓣位移至A或B处,于是介质经过滤器进入锥头油缸使主阀关闭,或锥头油缸内介质压力排放到管道下游,而管道压力使主阀开启,因此先导阀的反应动作控制着主阀开启或关闭。主阀动作可靠和反应灵敏需要准确调整先导阀。先导阀的调整是首先引入设计压力(通常是最高水击压力设计值)作为先导阀的整定压力PS(或称开启压力),然后逐步调整弹簧至整定压力使阀瓣起跳,经至少3次重复动作,确认整定压力达到设计要求后锁定弹簧。动作阶段主要有正常状态、超压状态和管道压力降低恢复正常情况。管道压力P=PA=PK=PO=PB式中PA——介质入口压力(由管道经过滤器、集成块进入先导阀)PK——引压管压力(由管道引入先导阀,用于控制先导阀动作)PO——进入锥头油缸介质压力PB——锥头油缸内介质压力经B口排放至管道下游(1)轴向力小导插时弹簧力以a密封PK<PS(整定压力或称开启压力),先导阀活塞轴向力小于先导阀调整弹簧力时,先导阀的弹簧力使B密封,A开启。管道介质压力经过滤器、先导阀A进入锥头油缸,关闭主阀,使先导式水击泄压阀正常运行。(2)先导阀阀瓣封闭PK>PS,即先导阀活塞轴向力大于先导阀调整弹簧力,此轴向力推动先导阀阀瓣移动并封闭A,开启B。此时锥头油缸介质迅速经B排放到管道下游,于是在管道压力作用下将锥头推开,自动将介质排向管道下游,管道压力迅速降低,从而达到泄放压力,保护管道或设备不被破坏的目的。(3)阀阀瓣横向b形PK<PS,先导阀活塞轴向力小于先导阀调整弹簧力时,此弹簧力将先导阀阀瓣推向B并封闭,A开启。管道压力经过滤器和先导阀A进入主阀内腔(锥头油缸)。锥头在介质压力及主弹簧的作用下,克服锥头O形圈的摩擦力,主阀锥头自动复位,并达到密封状态,使先导式水击泄压阀恢复正常运行。4自力式密封的定义先导式水击泄压阀的阀瓣结构为锥形密封结构,为保证密封,作用于阀瓣(锥头)的力使密封副形成足够的比压,此作用力(轴向密封力)是由介质压力产生,而不需外加力,因此可称为自力式密封(图2)。4.1密封副产酶b0/tg的表征工作比压q是锥头油缸与阀座面积差由介质压力产生的轴向密封力(QM1)及弹簧轴向力(QM2)共同作用于阀座上形成的密封比压。q<qb式中q——工作比压(总比压),MPaq=q1+q2(1)q1——介质压力在密封副上产生的比压,MPaq1=QM1πDpb0sinϕ[1+(μ/tgϕ)](2)q1=QΜ1πDpb0sinϕ[1+(μ/tgϕ)](2)QM1——轴向密封力,NQM1=π(D2−DP2)P4(3)QΜ1=π(D2-DΡ2)Ρ4(3)D——油缸直径,mmDP——阀座密封带的平均直径,mmφ——密封面锥半角(φ=40°),(°)b0——有效接触宽度,mmμ——摩擦系数(μ=0.1)q2——弹簧力在密封副上产生的比压,MPaq2=QM2πDpb0sinϕ[1+(μ/tgϕ)](4)q2=QΜ2πDpb0sinϕ[1+(μ/tgϕ)](4)QM2——弹簧预压力,NQM2=(H0-H1)K(5)H0——弹簧自由长度,mmH1——弹簧安装长度,mmK——弹簧刚度,N/mmqb——必须比压,MPaqb=1.4[(18/b0−−√)+(0.9P/b0−−√)]/10(6)qb=1.4[(18/b0)+(0.9Ρ/b0)]/10(6)4.2阀座密封副产生的比压以4in.(100mm)-300/600Lb先导式水击泄压阀为例进行计算(图2),其中D=120.6mm,DP=103.9mm,b=4.82mm,φ=40°。①锥头油缸与阀座密封面(中径)的面积差产生轴向密封力QM1QM1=π[(120.6)2-(103.9)2]P/4=2943.1P②轴向密封力在阀座密封锥面上产生的比压q1b0=b×90%=4.82×90%=4.34mm代入式(2),得QM1=2943.1P=1019.5q1q1=2.9P③弹簧力在密封副上产生的比压q2弹簧长度H0=150.5mm,安装尺寸121.81mm,弹簧刚度K=14.21N/mm,弹簧预紧力QM2=(150.5-121.81)K=407.69N,代入式(4)q2=QM2πDpb0sin40°[1+(μ/tg40°)]=0.4MPaq2=QΜ2πDpb0sin40°[1+(μ/tg40°)]=0.4ΜΡa④总比压qq=q1+q2=2.9P+0.4(7)⑤密封必须比压qbqb=3.8+0.19P(8)⑥密封临界点,即当介质压力产生的比压=密封必须比压2.9P+0.4=3.8+0.19PP=1.255MPa经计算并由曲线图(表1、图3)分析得出,在临界点A时(即P=1.255MPa),q=qb。介质压力>1.255MPa,q>qb,此时达到密封要求。介质压力<1.255MPa,q<qb,此时不能保证密封。5介质压力随临界压力时的泄漏试验装置:水击泄压阀密封比压试验装置试验介质:柴油试验结果:见表2从试验结果分析,当介质压力小于临界压力(1.40MPa)时产生泄漏,当介质压力大于临界压力时达到密封要求,此种情况基本符合理论计算。输油管线运行情况证明,输送压力在2～3MPa时使用情况良好,达到了密封要求。6密封损失分析先导式水击泄压阀密封失效排除密封副损坏或是先导阀故障等原因,密封失效主要表现在主阀锥头起跳后无法复位或复位后无法密封。(1)弹簧对孔口的复位在锥头密封副未形成密封带或在复位过程中,由式(2)得出此时介质压力产生的轴向密封力=0,锥头复位须靠主阀弹簧力的作用。经分析证明,锥头无法复位的原因是弹簧的设计选用不合理。例如3in.(75mm)600Lb先导式水击泄压阀,弹簧刚度K=2.17N/mm,锥头关闭时预压缩量为34.84mm,弹簧力=2.17×34.84=75.6N,此弹簧力无法克服油缸摩擦力及锥头自重。经反复拆装试验,锥头仍无法复位,因此在密封副上未能形成初始密封比压,以至造成泄漏。(2)动复位后能形成足够的初始比压为保证锥头复位后达到密封要求,须提高弹簧刚度,以便在锥头自动复位后能形成足够的初始比压。例如4in.(100mm)-300/600Lb先导式水击泄压阀,其弹簧力在密封副上产生的比压为0.4MPa,与弹簧力平衡的轴向密封压力经计算得出。如果没有引入锥形油藏的介质压力，则通过式5弹簧力计算的介质压力为1907.69n407.69=π(103.9)2P/4P=0.048MPa其他同法定q[1+/tg402-5.4e2-5-b0sin40,2eQM′=π[(120.6)2−(103.9)2](0.048)/4+407.69=580Nq′=580πDpb0sin40°[1+(μ/tg40°)]=0.57MPaQΜ′=π[(120.6)2-(103.9)2](0.048)/4+407.69=580Νq′=580πDpb0sin40°[1+(μ/tg40°)]=0.57ΜΡa密封副密封对比试验QM′′=π[(120.6)2−(103.9)2](1.255)/4+407.69=4116Nq′′=4116πDpb0sin40°[1+(μ/tg40°)]=4.04MPaQΜ″=π[(120.6)2-(103.9)2](1.255)/4+407.69=4116Νq″=4116πDpb0sin40°[1+(μ/tg40°)]=4.04ΜΡaq″值等于密封临界比压。由此分析,当介质压力≥0.048MPa时,锥头不会被顶开,并可在密封副上产生0.57MPa比压,虽然未达到密封要求,由于面积差的关系和弹簧力作用,密封副始终吻合,只是密封比压小,会有微小的泄漏。但随着压力升高,例如介质压力>1.255MPa时即可达到完全密封,在试验过程中发现需3～5s,才能达到密封状态。锥头复位后不能实现密封时,应提高初始比压,从设计上可考虑提高弹簧刚度或减小密封面宽度,同时选择