高压闸阀阀板与阀座摩擦因数的试验研究

1、2008年第37卷 石油矿场机械 第2期第59页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008,37(2):5961 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

2、,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:ATheExperimentSurveyofFrictionalCoefficientbetweenValvePlankandValveSeatinHighPressureGateValveZHONGGong-xiang,LBZh-izhong,LIANGZheng(SouthwestPetroleumUniversity,Chenngdu610500,China)Keywords:gatevalve;drivingmechanism;experiment;frictionalforce

3、;frictionalcoefficient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

4、石油机械工程科研和教学工作,E-mail:zhonggx3170。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#60#石油矿场机械 2008年2月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。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+Fm41)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

5、板闸阀结构(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。22Fq=4(D-d)pqpq为气缸气压,MPa。Fm1=(F1+Fy1)L(3)式中,Ft为波形弹簧对阀座的作用力,N;Fy1为高压流体对阀高压端阀座的作用力,N。22(d2-d1)py(4)4式中,d2为阀座外径,mm;d1为阀座内径,mm;pyFy1=为阀进液压力,MPa;L为阀座与阀板的摩擦因数。Fm2=(Ft+Fy2)L(5)式中,Ft为波形弹簧对阀座的作用力,N;Fy2为高压

6、流体对阀低压端阀座的作用力,N。Fy2=d2py4(6)(2)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。式中,D为气缸活塞直径,mm;d为阀杆直径,mm;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

7、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。将式(2)(6)代入式(1),考虑到当阀进口压力大于20MPa时,(Fm3+Fm4)n(Fm1+Fm2),且nFy1、Fy2,整理得阀座与阀板的摩擦因数计算式为22qLU#1py(7)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#61#3 摩擦因数的试验与结果3.1 试验装置及流程试验装置如图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

8、进口压力测试表和气缸压力测试表的最大压力值py、pq。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。摩擦力更准确。表1 闸阀阀板与阀座摩擦因数值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:中国标准出版社,1994:92-93.3

9、成大先.机械设计手册:第1卷K.北京:化学工业出版社,2002:1-8.1)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py和气缸压力pq,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(PetrodarOperatingCompany,Ltd.)12个合同项目,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(MelutBasin)、马里塔(Maleeta)和古马里(Guma