1．前言

API 6A井口暗桿閘閥是海上、陸地石油天然氣鉆采和生產(chǎn)的系統(tǒng)重要部件，對石化行業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。目前能源短缺促使世界各國都加大石油天然氣勘探、開發(fā)力度。我國為了確保能源安全、滿足國民經(jīng)濟日益增長的需要，近年來在石油及化工工業(yè)上的投資更是大幅上升，特別是海上油氣田勘探開發(fā)、天然氣的勘探開發(fā)。從而增大石油鉆采設(shè)備的需求，促進我國石油鉆采設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。但是，由于API 6A井口暗桿閘閥在設(shè)計和制造技術(shù)上與國外仍有較大的差距，高質(zhì)量或關(guān)鍵部位的閥門一直依賴進口。當今世界APl 6A井口暗桿閘閥居領(lǐng)先地位的是美國喀麥隆公司的井口閥，在借鑒喀麥隆公司井口暗桿閘閥技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出API 6A井口暗桿閘閥。

2．結(jié)構(gòu)特點

API 6A井口暗桿閘閥(參見圖1)主要由閥體、閥座、閘板、閥桿、波紋彈簧、閥蓋、填料、軸承、軸承支架、壓帽、手輪等零部件組成，如圖1所示。閥桿軸向由軸承支架和軸承定位，閥桿下端由梯形螺紋與閘板相連接。

2．1 整體式閘板結(jié)構(gòu)

采用整體式閘板結(jié)構(gòu)，可防止管線中的沉淀物進入閥體內(nèi)腔。并在閘板上開有圓形導流孔，孔徑與閥座及管道的通徑一致。在閥門全開啟時，流體流過的阻力最小。由于流暢的、無間斷的導流，免除產(chǎn)生紊流，與流過相同通徑的管道相比，壓降并不增加，這對注氣流程的節(jié)能是有利的，閥門全開啟時，閘板所具有的全通徑的特點，使井下工具、儀器通過時，不發(fā)生掛卡，閥的密封面避免受損傷，又免受介質(zhì)流速的沖蝕。在閥全開時，閘板與閥座始終貼合，阻斷了臟物進入閥腔的通道，并能起到清掃密封面的作用，使密封面不易附著稠油中的磨礪性砂粒。

2.2 浮動閥座結(jié)構(gòu)

浮動閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥座與閘板組成的密封副能否有效的密封，很大程度上取決于閥座能否浮動，閥座浮動是指閥座對閘板的軸向浮動以及閥座對閥體的徑向浮動，浮動量(即間隙)要大于材料的熱膨脹量，以防止實際工作時產(chǎn)生閥座與閥體之間的擦傷，以及防止閥座被卡死在閥體上，但要注意預留的徑向間隙不能過大，過大會影響閘板與閥座密封面的貼合度，采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，在閥座與閥體之間設(shè)置一個具有伸縮補償性能高的波紋彈簧，這是一種非常實用的結(jié)構(gòu)，它既能使閥座實現(xiàn)軸向浮動，又能實現(xiàn)徑向浮動，保證工作時閥座不被卡死，而且仍能使閥座與密封面的貼合得以保證，使閥座帶有預緊力，從而使閥座和閘板間在低壓力時也可以保持良好的密封性能。

2.3 止推軸承

閥桿螺母采用高承載能力的2個止推軸承用來吸收閘板開啟和關(guān)閉時的載荷，從而將操作手輪的轉(zhuǎn)矩降至最低。

2.4 導向板

在閥座上裝有能容納閘板的導向板，導向板的采用，排除了閘板歪斜的可能性。

2．5 暗桿式閥桿結(jié)構(gòu)

閥桿采用暗桿式結(jié)構(gòu)，這樣可以保證閥門作業(yè)時不會導致內(nèi)腔壓力的上升并且不會轉(zhuǎn)移內(nèi)腔里裝填的潤滑脂。

2．6 洞滑脂注塑接頭

本體填充物潤滑脂是通過單一的注塑來實現(xiàn)的，金屬對金屬密封，潤滑脂接頭位于閥桿后座的下游側(cè)面起到安全作用，該運用便于針對閥體內(nèi)腔進行所有必要的潤滑處理。

2．7 密封副表面硬化處理

閥座和閘板采用膨脹系數(shù)相同或相近的材料，這對密封副的表面采用噴焊鎳基合金粉，具有良好的抗腐蝕、抗擦傷性能。

3．工作原理

API 6A井口暗桿閘閥通過扳動手輪來轉(zhuǎn)動閥桿，由閥桿與閘板間的梯形螺紋傳動副來實現(xiàn)閘板的上下運動，從而操作閥門的開和關(guān)。閥座均采用浮動對稱結(jié)構(gòu)。在全開狀態(tài)時，進出口壓力相等，閥座與閥體問的波紋彈簧能使閘板和閥座自動回正。在全關(guān)狀態(tài)下，高壓介質(zhì)將閘板推向出口端使閥座形成密封。同時入口端閥座在高壓介質(zhì)和彈簧推力的共同作用下，被推向閘板并達到必須的密封比壓，實現(xiàn)密封。

4．設(shè)計計算

4．1 殼體強度

考慮到井口裝置在正常生產(chǎn)情況下，其壓力是相對穩(wěn)定的壓力，也就是筒體內(nèi)所承受的是變化緩慢的壓力，故將其視為靜載荷。

閘閥的結(jié)構(gòu)如圖l所示，其計算公式選用高壓容器厚壁圓筒強度理論計算，無外壓力，受力情況如圖3所示。

按照ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第2冊附錄4所敘述的設(shè)計方法，可用于承壓裝置的設(shè)計計算，設(shè)計許用應力按下式確定：

式中：S_T——靜水壓試驗壓力下的最大許用主膜應力強度，MPa；

S_Y——材料規(guī)定的最小屈服強度，MPa。

分別計算I—I截面和Ⅱ—Ⅱ截面的徑向應力及切向應力，計算公式如下：

式中：σ_r——徑向應力，MPa；

P——工作壓力，MPa；

R²——閥體外圓半徑，mm；

K——管徑比，K=R²/R¹；

r=R¹(考慮到該處承受應力最大)；

R¹——閥體內(nèi)孔半徑，mm。

式中：σ_t——切向應力，MPa。

根據(jù)上述公式的計算結(jié)果(計算結(jié)果如為負值則表明該處為壓應力)，其最薄弱截面的徑向應力σr和切向應力σt均小于許用應力[σ]為合格。

4．2 閥板厚度校核

按周邊自由支持，受均布載荷的圓形薄板公式計算如下：

式中：S_B——閘板厚度，mm；

μ——材料的泊松比；

D_cp——密封面平均直徑，mm；

P——工作壓力，MPa；

(σ_ω)——材料的許用彎曲應力，按下式求得，MPa。

式中：S_Y——材料的屈服強度值，MPa；

n_s——安全系數(shù)通常取2～2.3，在計算中n_s=2.3。

未完，待續(xù)……

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