CN114413010B - 一种可强制密封的低扭矩平板闸阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油机械技术领域，具体涉及一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，包括阀体和位于阀体内的闸板，阀体内分别设有环形槽，两个环形槽内依次密封安装有主阀座和可控阀座，闸板位于两个主阀座之间且两侧面与主阀座滑动密封，主阀座的内壁上设有多个介质通孔，主阀座上设有与介质通孔连通的主阀座封闭环槽；可控阀座与主阀座活动接触，可控阀座与环形槽底部相近的一端设有可控阀座封闭环槽，阀体上设有与可控阀座封闭环槽和环形槽连通的外控通道。本发明通过介质压力和外部控制压力分别推动主阀座和外控阀座，做到高、低压状态下都能可靠密封；在实现前座密封、阀腔内无压的情况下，做到大幅降低开关扭矩，满足高压大通径闸阀的需要。

Description

一种可强制密封的低扭矩平板闸阀

技术领域

本发明涉及石油石化机械技术领域，具体涉及一种可强制密封的低扭矩平板闸阀。

背景技术

平板闸阀在石油石化领域广泛应用。常用密封方式是后座密封，闸板在介质压力作用下被推向后阀座（简称后座，即出口端阀座），形成闸板和后座的密封。由于闸板向后座位移，使前座（进口端阀座）与闸板的密封性能降低，介质就会进入阀腔，当温度升高时阀腔压力急剧升高，容易造成阀杆密封和阀盖密封失效，造成安全环保事故；而且，阀腔压力的存在影响闸阀在线维护，隐患不能及时排除。另外，作用力FMH作用在后阀座上形成的实际比压，接近或超过材料的许用比压，严重影响闸板阀座的寿命，为提高许用比压，业内采用了特种钢以及钨钴类硬质合金超音速喷涂等最好的材料和工艺，阀杆、螺母也采用特种材料及热处理手段。即便如此不惜成本，新材料新工艺的发展速度仍然不能满足高压大通径闸阀的需求。

为做到阀腔无压，需要实现前座密封。双阀座（闸板两侧各一组阀座，每组阀座有内外两个阀座）闸阀利用介质压力作用在内外阀座之间，将两个阀座撑开，能增加前座密封效果，但是在低压时前座密封性能大幅度降低，很难实现从零到最高压力全过程阀腔无压。为实现前座密封，有的闸阀采用轴向弹簧蓄能圈或异形弹簧，其弹性作用力与介质腐蚀、介质温度、阀座位移量等因素成反比，是不稳定、不可靠、不可控的作用力，致使前座密封不可靠。

密封的必要条件是实际密封比压要大于密封必需比压，密封必需比压公式为计算公式中有介质系数要求，常温液体的系数n是1，气体、轻质油、高温液体及高温油气介质系数n是1.4-2。前座密封要满足介质系数的前提条件是阀座作用面宽度bo（受介质推力的一面）要大于密封面宽度bm（与闸板密封的一面），这种结构会使闸板与阀座间的作用力呈指数级增大。而且现有技术中的密封力全靠介质压力，介质压力可测不可控，不能实现强制密封，低压时难以达到高温油气介质密封必需比压。

闸阀密封原理决定了介质对闸板的作用力都施加到后座上，介质压力越高，作用力越大，导致开关扭矩增大，容易造成阀杆与螺母传动失效、安全销剪断甚至阀杆断裂等事故。在高压高温状态下，还容易引起闸板与阀座磨损拉伤，破坏密封，严重者闸板与阀座“咬死”不能开关，致使系统失控。

随着油田开发的需要，闸阀通径越来越大，介质压力越来越高（从70、105到140MPa，将来会有175MPa或更高），要在高压大通径闸阀上同时满足阀腔无压、开关扭矩小这两个条件是业内的难题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种可实现前座密封、密封力可控的可强制密封的低扭矩平板闸阀。

本发明的技术方案是：

一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，包括阀体和位于阀体内的闸板，所述阀体位于阀腔的两侧内壁上分别设有环形槽，所述环形槽与阀体的流道孔同轴设置，两个环形槽内由外向内依次密封安装有：

主阀座，所述主阀座的内孔直径与流道孔直径相同，所述闸板位于两个主阀座之间且两侧面与主阀座滑动密封，所述主阀座的内壁上设有多个用于介质通过的介质通孔，所述主阀座与环形槽底部相近的端部设有与介质通孔连通的主阀座封闭环槽；

可控阀座，所述可控阀座滑动设置在环形槽底部且一端与主阀座活动接触，所述可控阀座与环形槽底部相近的一端设有可控阀座封闭环槽，所述阀体上设有与可控阀座封闭环槽和环形槽连通的外控通道。

优选的，所述闸板的两侧安装有环形的与阀腔的内壁滚动接触的滚动组件。

优选的，所述滚动组件包括安装在闸板前后两侧的内轨道，所述阀体内壁设有与内轨道适配的外轨道，所述闸板顶部和底部安装有与内轨道和外轨道对接的反向器，所述内轨道、外轨道和反向器形成椭圆形的滚动腔，所述滚动腔内安装有多个滚柱，所述滚动腔的宽度大于滚柱直径，当闸板被介质压力带动滚柱向一侧移动时，另一侧滚柱与滚动腔之间形成间隙，反向器内的滚柱与滚动腔之间也有间隙。

优选的，所述主阀座为阶梯环形结构且包括外环和内环，所述主阀座一端与闸板接触形成密封面宽度小于外环和内环的作用面宽度。

优选的，所述主阀座的内环面与环形槽的端面之间具有介质间隙。

优选的，所述主阀座的内外表面均设有与环形槽内壁密封的主阀座密封组件，所述可控阀座的内外圆均设有与环形槽内壁密封的可控阀座密封组件。

优选的，所述介质通孔、主阀座封闭环槽、可控阀座封闭环槽和外控通道内均填充有有密封脂，所述外控通道上安装有单向阀。

优选的，所述闸板上设有导流孔，所述导流孔直径与流道孔直径相同。

本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

1.利用外控压力和可控阀座在全压力范围内实现前座密封，介质压力和外部控制压力分别推动主阀座和外控阀座，做到高、低压状态下都能可靠密封，外控压力可测、可控、可靠、稳定，能实现强制密封，改变了阀门类产品（闸阀、球阀）单纯依靠介质压力进行密封的被动局面；

2.可靠的前座密封确保了阀腔无压，改善了阀盖、阀杆密封的工作环境，延长使用寿命，降低了闸阀外泄漏的风险，在控制压力作用下，闸阀无论在关闭状态或开启状态下，都能进行在线带压维护；

3.本发明将介质压力F_MH作用在滚柱上，滑动摩擦变成了滚动摩擦，本发明的摩擦力是现有技术摩擦力的十分之一，大幅度降低了闸阀开关扭矩；

4.本发明通过在闸板和阀体之间安装滚动组件承受原来由后阀座承受的来自闸板的推力，使闸板推力通过滚动组件作用于阀体，大幅降低了后阀座上的作用力，材料许用比压有较大冗余度，从而降低了对新材料新工艺的需求和制造成本，或者说在现有材料工艺条件下，能制造压力通径更大的阀门，降低制造技术难度和制造成本；

5.阀座结构优化，适应性好，可靠性高，本发明利用环形槽结构，在阀座孔直径D_ZK范围内使作用面宽度尺寸最大化，容易达到作用面宽度大于密封面宽度的要求，密封面宽度的范围大，方便设计选择；介质作用面和外控压力作用面都在封闭空间内，由密封脂填充，不受介质冲刷，不易造成卡阻失效；

阀座只有径向密封，没有轴向（端面）密封，增加了阀座轴向浮动自由度，对热变形有较大冗余度，在高低温环境中不易造成密封失效、扭矩剧增或卡死现象。

6.可实现自动控制和在线监测，本发明采用外控压力和可控阀座，阀门各部位参数（介质压力、阀腔压力、外控压力）都可以监测显示（可测），根据设定要求对阀腔压力、外控压力进行调节（可控），确保阀门始终处于完好、稳定可靠状态。

附图说明

图1为本发明闸阀的结构总图；

图2为本发明闸阀的主密封结构图；

图3为本发明闸阀的主密封结构局部放大图；

图4为本发明闸阀的闸板阀座受力示意图；

图5为本发明闸阀的阀体结构示意图；

图6为本发明闸阀的滚柱在闸板正面布局示意图；

图7为本发明闸阀的滚柱在闸板上滚动腔示意图；

图8为本发明闸阀的滚柱在闸板上滚动腔局部放大示意图；

图中：1.阀体，2.闸板，3.主阀座，4.可控阀座，5.环形槽，6.进口端，7.出口端，8.T型螺母，9.密封钢圈，10.阀杆，11阀盖，12.杆密封组件，13.密封压盖，14.阀杆套，15.轴承，16.手轮，17.轴承压盖，18.安全销，19.滚柱，20.注脂阀，21.内轨道，22.外轨道，23.主阀座密封组件，24.阀腔，25.外控通道，26.介质通孔，27.介质间隙，28.主阀座封闭环槽，29.可控阀座封闭环槽，30.反向器，31.间隙，32.导流孔，33.T型槽，34.可控阀座密封组件。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

其中，F_k--闸板开启力，F_j--进口端密封面上的摩擦力，F_c--出口端密封面上的摩擦力，F_MQ--进口端密封面上的作用力，F_MH--闸板对后座的作用力，D_ZK--阀座外径，D_MN--密封面内径，b_m--密封面宽度，bo--主阀座作用面宽度，b₁--主阀座外环面宽度，b₂--主阀座内环面宽度，P--介质压力，P1--控制压力，f_k--滚动摩擦系数，f_m--滑动摩擦系数。

实施例一

参照图1-8所示，一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，包括阀体1和位于阀体1内的闸板2。

阀体1位于阀腔24的两侧内壁上分别设有环形槽5，环形槽5为阀体1的凸台形成的环形空腔，环形槽5与阀体1的流道孔同轴设置，两个环形槽5内由外向内依次密封安装有主阀座3和可控阀座4。

其中，主阀座3是阶梯环形结构且包括外环和内环，主阀座3的内孔直径（即密封面内径）D_MN与阀体1的流道孔直径相同，即闸阀的公称通径。闸板2位于两个主阀座3之间且两侧面与主阀座3滑动密封，闸板2上设有导流孔32，导流孔32直径与流道孔直径相同。在主阀座3的内外表面均设有与环形槽5内壁上下侧密封的主阀座密封组件23，主阀座3只有径向密封，没有轴向（端面）密封，增加了阀座轴向浮动自由度，即可沿环形槽5轴向移动，对热变形有较大冗余度，在高低温环境中不易造成密封失效、扭矩剧增或卡死现象。主阀座3的内壁上设有多个用于介质通过的介质通孔26，主阀座3与环形槽5底部相近的端部设有与介质通孔26连通的主阀座封闭环槽28，阀体1内的介质通过流道孔和介质通孔26进入主阀座封闭环槽28并推动主阀座3向闸板2方向移动。

主阀座3与闸板2接触受介质作用的一端壁厚bo称为“作用面宽度”，bo由外环的外环面宽度b₁和内环的内环面宽度b₂构成。主阀座3与闸板2密封的一端壁厚bm称为“密封面宽度”，密封面宽度小于作用面宽度。主阀座3的内环面与环形槽5的端面之间具有介质间隙27。介质通过介质通孔26进入到主阀座3的主阀座封闭环槽28，由外环面宽度b₁受力将主阀座3推向闸板2；与此同时，介质进入介质间隙27，内环面宽度b₂受力推动主阀座3；b₁、b₂之和就是主阀座3的作用面宽度bo，介质在bo上的作用力使主阀座3的密封面宽度bm与闸板2形成密封面，达到主密封效果。

如图2和图3所示，可控阀座4滑动设置在环形槽5底部且一端与主阀座3活动接触，即可控阀座4可在环形槽5内滑动，可控阀座4的内外圆均设有与环形槽5内壁密封的可控阀座密封组件34。可控阀座4与环形槽5底部相近的一端设有可控阀座封闭环槽29，阀体1上设有与可控阀座封闭环槽29和环形槽5连通的外控通道25。通过外控通道25可将外部的控制压力P1作用于可控阀座封闭环槽29，推动可控阀座4向闸板2方向移动，P1的大小与外环面宽度b₁相关，由P1控制的实际比压大于必需比压并满足介质系数需求。当介质压力P降低，达不到必需比压及介质系数要求时，P1投入工作，可控阀座4推动主阀座3与闸板2密封，维持密封效果，能实现强制密封。在主阀座3遇到卡阻故障，介质压力无法推动的情况下，可以加大控制压力P1解除主阀座3的卡阻故障，恢复密封效果。

外控通道25上可设置外控阀，外控阀是单向阀（例如注脂阀），控制压力P1可以由注脂枪单点施压，定期检测压力状态；也可以把多个闸阀（例如采油树或高压管汇撬）的若干个点用高压管线连接到控制台，实现集中控制，在线监测压力状态，实现自动化控制。

如图1所示，阀体1与阀盖11用螺栓固定连接，其结合部位由密封钢圈9密封，阀杆10与阀盖11之间由杆密封组件12密封，这两道密封与阀体1组成了阀腔24。不管闸阀是开启或是关闭状态，这两道密封泄漏称为外漏。本发明解决了前座密封问题，实现阀腔24无压，降低了这两道密封的损坏几率，避免介质外漏事故的发生。阀体1靠近底部和阀盖11上部有注脂阀20，其作用是给阀腔24注脂、测试阀腔24压力、阀腔24泄压。

实施例二

与实施例一基本相同，不同之处在于，闸板2的两侧安装有环形的与阀腔24的内壁滚动接触的滚动组件，如图2-图4所示。

其中，如图3和图8所示，滚动组件包括安装在闸板2前后两侧的内轨道21，阀体1内壁设有与内轨道21适配的外轨道22，闸板2顶部和底部安装有与内轨道21和外轨道22对接的反向器30，内轨道21、外轨道22和反向器30形成椭圆形的滚动腔，滚动腔内安装有多个滚柱19，滚动腔的宽度大于滚柱19的直径，当闸板2被介质压力带动滚柱19向一侧移动时，另一侧滚柱19与滚动腔之间形成间隙31，反向器30内的滚柱19与滚动腔之间也有间隙31。

当闸板2左侧是闸阀进口端6，闸板2右侧是出口端7的状态下，闸板2被介质压力推向右侧，右侧滚柱19、内轨道21、外轨道22承受闸板2的推力，左侧滚柱19与滚动腔有间隙31，如图8所示，反向器30内的滚柱19与滚动腔也有间隙31。

闸板2顶部的T型槽33与T型螺母8活动连接，T型螺母8与阀杆10螺纹传动连接，阀杆10通过安全销18和阀杆套14与手轮16固定连接，转动手轮16带动闸板2升降，完成开启关闭动作。杆密封组件12由密封压盖13压紧，阀杆套14上安装有轴承15，轴承压盖17与阀盖11螺纹连接，轴承15、阀杆套14在轴承压盖17内转动，轴承15承受阀杆10的轴向力，安全销18传递扭矩也承受阀杆10的轴向力，超载剪断时，只需打开轴承压盖17，就可以更换或是做其它处置，确保安全。在闸板2升降运动过程中，右侧轨道中的滚柱19在有压力负载下随闸板2运动而作直线滚动，是工作负荷区，当闸板2向上移动时，滚柱19在阀体1的摩擦作用下向下移动；两端和左侧轨道内的滚柱19空载滚动，属非工作负荷区，在闸板2运动中实现滚柱19的循环滚动。当介质方向变换，闸板2、滚柱19受力也相反，左侧受力，间隙31在右侧，工作负荷区和非工作负荷区也左右交换，椭圆型滚动腔内的滚柱19正常循环滚动。滚柱19可以承受重载荷，依据载荷大小选择滚柱19的直径和长度。

介质作用在闸板2上的力

，在现有技术中这个力全部作用在后阀座上，后阀座与闸板2的摩擦力

（f_m滑动摩擦系数0.1~0.2）。本发明将F_MH作用在滚柱19上，滑动摩擦变成了滚动摩擦，

（f_k滚动摩擦系数0.01~0.02），同一个作用力F_MH，本发明的摩擦力是现有技术摩擦力的十分之一，大幅度降低了闸阀开关扭矩。

实施例三

与实施例一基本相同，不同之处在于，在介质通孔26、主阀座封闭环槽28、可控阀座封闭环槽29和外控通道25内均填充有密封脂。通过密封脂填充，使介质内含有的杂质不易进入介质通孔26，从而使其不受介质冲刷，不易造成卡阻失效。

在某些现场事故中，由于状态监测不到位，在操作阀门时才发现关不死或是打不开，对阀门存在问题没有事先发现和排除。本发明采用外控压力和可控阀座4，阀门各部位参数（介质压力、阀腔24压力、外控压力）都可以监测显示（可测），根据设定要求对阀腔24压力、外控压力进行调节（可控），确保阀门始终处于完好、稳定可靠状态。

本发明通过介质压力和外部控制压力分别推动主阀座3和外控阀座4，做到高、低压状态下都能可靠密封；在闸板2和阀体1之间安装直线循环运动的滚柱19承受原来由后座承受的来自闸板2的推力；在实现前座密封、阀腔24内无压的情况下，做到大幅降低开关扭矩，满足高压大通径闸阀的需要。

本发明并不限于上述的实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，变化后的内容仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，包括阀体和位于阀体内的闸板，其特征在于，所述阀体位于阀腔的两侧内壁上分别设有环形槽，所述环形槽与阀体的流道孔同轴设置，两个环形槽内由外向内依次密封安装有：

主阀座，所述主阀座的内孔直径与流道孔直径相同，所述闸板位于两个主阀座之间且两侧面与主阀座滑动密封，所述主阀座的内壁上设有多个用于介质通过的介质通孔，所述主阀座与环形槽底部相近的端部设有与介质通孔连通的主阀座封闭环槽；

可控阀座，所述可控阀座滑动设置在环形槽底部且一端与主阀座活动接触，所述可控阀座与环形槽底部相近的一端设有可控阀座封闭环槽，所述阀体上设有与可控阀座封闭环槽和环形槽连通的外控通道。

2.根据权利要求1所述的一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，其特征在于：所述闸板的两侧安装有环形的与阀腔的内壁滚动接触的滚动组件。

3.根据权利要求2所述的一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，其特征在于：所述滚动组件包括安装在闸板前后两侧的内轨道，所述阀体内壁设有与内轨道适配的外轨道，所述闸板顶部和底部安装有与内轨道和外轨道对接的反向器，所述内轨道、外轨道和反向器形成椭圆形的滚动腔，所述滚动腔内安装有多个滚柱，所述滚动腔的宽度大于滚柱直径，当闸板被介质压力带动滚柱向一侧移动时，另一侧滚柱与滚动腔之间形成间隙，反向器内的滚柱与滚动腔之间也有间隙。

4.根据权利要求1所述的一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，其特征在于：所述主阀座为阶梯环形结构且包括外环和内环，所述主阀座一端与闸板接触形成密封面宽度小于外环和内环的作用面宽度。

5.根据权利要求2所述的一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，其特征在于：所述主阀座的内环面与环形槽的端面之间具有介质间隙。

6.根据权利要求1所述的一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，其特征在于：所述主阀座的内外表面均设有与环形槽内壁密封的主阀座密封组件，所述可控阀座的内外圆均设有与环形槽内壁密封的可控阀座密封组件。

7.根据权利要求1所述的一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，其特征在于：所述介质通孔、主阀座封闭环槽、可控阀座封闭环槽和外控通道内均填充有密封脂，所述外控通道上安装有单向阀。

8.根据权利要求1所述的一种可强制密封的低扭矩平板闸阀，其特征在于：所述闸板上设有导流孔，所述导流孔直径与流道孔直径相同。

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