大口径全焊接球阀双向密封性能研究

李茜璐，李 理，成琳琳，余 成，韩传军

（1.西南油气田分公司集输工程技术研究所,四川 成都 610041；2.成都工业学院智能制造学院,四川 成都 611700；3.西南石油大学机电工程学院,四川 成都 610500）

运输有毒或可燃性气体的管道泄漏易导致起火、爆炸等灾难性后果。全焊接球阀因无外泄漏、耐高温高压、耐腐蚀、质量较轻、便于运输和安装等优点，在矿山、石油、化工、电力、制药、食品等行业的气体输运管线上得到了广泛运用[1-3]。根据使用工况不同，在温度、压力、腐蚀等多因素影响下，全焊接球阀阀座与球体之间的接触密封区域易出现密封失效导致泄漏[4]。焊接球阀一旦加工完成，其内部密封组件均不可更换，而且橡胶密封圈均要经受壳体高温焊接的考验，因此，一旦密封组件损坏或不能满足要求，整个球阀就将报废。为此，在不同工况下开展球阀密封性能研究对球阀的设计、应用具有重要的指导意义。

学者们对全焊接球阀的密封展开了研究。李树勋等[5]对用于天然气长输管线的全焊接球阀的密封结构进行了设计，提出了双活塞效应阀座、双重密封以及紧急救护3 种密封结构。雷吉平等[6]基于ANSYS 软件对一种新型双向硬密封旋球阀的密封性能进行了分析，结果发现该球阀具有零泄漏的优点。肖翰等[7]设计了一种可用于石油、天然气输送管道的整体式双向密封阀座的全焊接球阀。李清等[8]采用有限元仿真方法对用于深海环境的球阀阀座的密封比压与变形进行了研究。郝伟沙等[9]对用于超低温液化天然气的球阀的失效因素进行了研究，对后续的设计和使用提供了参考。吴业飞等[10]对用于液化天然气的球阀密封性能进行了分析，对低温球阀密封的设计提出了建议。Awad 等[11]通过MATLAB 软件模拟了球阀密封系统压力波动变化，确定了密封稳定运行的最佳条件。Peng 等[12]考虑塑性效应对不同压力下球阀接触力学的影响，进行了泄漏量建模计算，并通过试验进行了验证。这些研究大多集中在阀座密封结构设计与系统稳定性方面，对不同工况下，尤其是高压和低压下的密封性能与力学特性的探讨相对较少。因此，本文研究了在17.1 MPa 的高压密封试验和0.6 MPa 的低压密封试验工况下全焊接球阀密封结构组件的等效应力、接触压力以及变形分布的变化，并分析了正向密封和反向密封时球阀的密封性能。

1 密封部件

40 英寸大口径球阀可用于DN1000 的天然气长输管道或站场控制，阀体和球体材料均采用A350 低温钢锻件制造。由于其为焊接结构，焊接后密封组件不能更换，因此，密封结构的性能尤其重要。球阀密封组件由球体、阀座、保护垫以及阀座支撑圈等组成。阀座起密封作用，保护垫对阀座进行缓冲保护。球阀密封组件结构较复杂，且所有组件均为轴对称结构，为节省计算时间，提高计算精度，本文仅对密封组件的二维模型进行分析，如图1、图2 所示。在球阀密封过程中，当流道有流体压力，中腔无压力时，球阀可进行正向密封；当流道无流体压力，中腔有压力时，球阀可进行反向密封。根据密封理论与力的平衡原理，密封能否成功由阀座密封圈与球体接触密封面上的接触压力与介质压力的大小决定：若密封面上有一定区域的接触压力大于介质压力，则密封成功；反之则未能实现密封[13]。

图1 全焊接球阀几何结构

图2 球阀密封组件接触对

研究前作如下假设[14]：1)材料具有确定的弹性模量和泊松比；2)材料的拉伸与压缩蠕变性质相同；3)蠕变不引起体积变化；4)忽略介质压力温度变化对密封圈的影响。

阀座密封圈为氢化丁腈橡胶材料（HNBR），保护垫为尼龙材料。Mooney-Revlin 模型能够很好地描述橡胶材料在150%以内的变形，在小变形范围内具有较好的稳定性[15]。因球阀压缩量小于150%，因而，采用Mooney-Revlin 模型描述阀座与保护垫力学性能，其表达式[16]为

式中：W为应变势能；C10和C01为Mooey-Revlin 模型材料系数；I1和I2为第1、第2 应变张量不变量。

应力应变关系可以表示为

阀座的密度为1 200 kg/m3，保护垫的密度为1 150 kg/m3，C10和C01分别取2.79 MPa 和0.7 MPa。球体和阀座支撑圈材料参数如表1 所示。

表1 球体和阀座支撑圈材料参数

2 计算模型

由于球阀接触密封分析中涉及橡胶材料与接触分析，受力情况比较复杂，故采用四节点单元进行网格划分，对接触对区域进行局部网格细化，球体和阀座支撑圈网格单元数为5 015 个，阀座密封圈与保护垫网格单元为2 811 个。因阀座支撑圈和阀座为围绕管道轴线的轴对称结构，故将其简化为轴对称平面模型。采用罚单元法模拟面与面之间的接触，建立阀座密封圈与阀座支撑圈、保护垫与阀座支撑圈、阀座密封圈与球体、保护垫与球体4 个接触对，初始摩擦因数为0.2，载荷和约束施加如图3 所示。

图3 球阀密封组件有限元模型

3 结果分析

3.1 等效应力

图4 为高压、低压2 种密封工况下全焊接球阀正、反向密封时密封组件的等效应力云图。由图可知：在17.1 MPa 高压密封工况下，正向密封时，与阀座密封圈右上接触尖角处的阀座支撑圈应力最大，约为211 MPa，反向密封时，与阀座左下接触圆弧角位置处的阀座支撑圈应力最大，约为229 MPa，当球阀进行反向密封时，等效应力略大，但均小于阀座支撑圈的屈服应力415 MPa，不会发生屈服变形；在0.6 MPa 低压密封工况下，正向密封时，与阀座密封圈右上接触尖角处的阀座支撑圈应力最大，约为6.5 MPa，反向密封时，与阀座密封圈左下接触圆弧角位置处的阀座支撑圈应力最大，约为6.9 MPa。在高压、低压2 种密封工况下，等效应力均小于阀座支撑圈的屈服应力415 MPa，不会发生屈服变形。

图4 球阀密封组件等效应力云图

高压密封工况下正、反向密封时，密封圈等效应力云图如图5 所示。由图可知：在正、反向接触密封过程中，密封圈下端受到球体挤压，在与阀座支撑圈2 个尖角接触位置出现高应力区域；正向密封时，右上角接触位置应力较大，最大Mises 应力约23 MPa；反向密封时，2 个尖角位置均出现了高应力值，最大值约28.2 MPa。因此，可通过增大阀座支撑圈与密封圈接触位置的尖角来改善阀座的受力，建议将尖角位置的倒角半径由0.5 mm，增加到1 mm，以此降低密封圈的应力来延长其使用寿命，结构改进后最大应力降低幅度约15%。

图5 17.1 MPa 高压密封时阀座密封圈等效应力云图

3.2 接触压力

图6 为高压、低压2 种密封工况下全焊接球阀正、反向密封时密封组件的接触压力云图。在17.1 MPa 高压密封工况下，正向密封与反向密封的最大接触压力均出现在阀座密封圈右上侧与阀座支撑圈的尖角接触区域，最大值分别约为151 MPa和155 MPa；在阀座密封圈与球体的接触面上接触压力较大，且大于介质压力17.1 MPa，起主要密封作用，在保护垫与球体的接触位置接触应力较小，其对阀座密封圈起保护作用。在0.6 MPa 低压密封工况下，正向密封与反向密封过程中阀座密封圈与球体接触区域的接触压力均大于介质压力0.6 MPa，起密封作用，此时保护垫与球体还未接触。

图6 球阀密封组件接触压力

在密封过程中，起主密封作用的阀座密封圈与球体接触面上的接触压力是判断球阀密封性能的关键，因此，应对其接触压力展开定量分析。由图7（a）可知，在17.1 MPa 高压密封工况下，无论是正向密封还是反向密封，阀座密封圈与球体接触面上的接触压力均较大，均大于17.1 MPa，平均接触压力分别约为29 MPa 和34 MPa，可保证阀座与球体之间的良好密封。由图7（b）可知，在0.6 MPa 低压密封工况下，正向、反向密封时，阀座密封圈与球体接触面上的接触压力大于0.6 MPa，阀座依然能实现较好密封，但在低压密封工况下，正向、反向密封时接触区域明显减小，且在接触面上接触压力分布存在较大的波动；因此，在使用过程中需确保介质工作压力大于设计压力，过低的介质压力会降低其密封性能。

图7 阀座与球体的接触压力

3.3 变形

图8 为高压、低压2 种工况下正、反向密封时密封组件的变形云图。由图可知：无论是高压密封还是低压密封，正向密封和反向密封的最大变形均发生在与阀座支撑圈右上尖角接触的阀座密封圈上；高压密封时阀座密封圈的最大变形量均约为3 mm，此时阀座密封圈与球体接触面的法向压缩变形量分别约为1.03 mm 和0.95 mm；低压密封时阀座密封圈的最大变形量分别约为0.78 mm 和0.80 mm，此时阀座密封圈与球体接触面的法向压缩变形量分别约为0.39 mm 和0.38 mm。低压密封时，阀座密封圈接触区域变小，应确保介质工作压力大于设计压力，保证其密封性能。

图8 球阀密封组件变形云图

4 结论

1）在探讨的压力范围内：正向密封时，高应力区域出现在与阀座密封圈右上接触尖角处的阀座支撑圈上；反向密封时，高应力区出现在与阀座密封圈接触左下圆弧角位置处的阀座支撑圈上；均小于阀座支撑圈的屈服强度，不会发生屈服变形。

2）在高压密封工况下，不论是正向或者反向密封，密封圈的最高应力均出现在与阀座支撑圈接触的2 个尖角位置。正向密封时，右上角接触位置应力较大；反向密封时，2 个尖角位置均出现了高应力值。因此，可通过增大阀座支撑圈尖角处的倒角尺寸来改善其受力和变形，降低其失效概率。

3）无论是正向还是反向密封，高压工况下阀座密封圈与球体的接触压力均大于介质压力，球阀能实现良好密封。低压密封工况时，接触区域的接触压力也大于介质压力，但接触区域变小，且在接触面上接触压力分布存在较大的波动。因此，需确保介质工作压力大于设计压力，防止过低的介质压力降低其密封性能。

虽然本文分析了静压下球阀密封组件的密封能力，但密封组件的损坏往往是在球阀开闭的过程中由过高的摩擦力导致；因此，有必要对球体旋转造成的密封件变形及磨损等情况开展进一步的研究。