小口径高压气动阀门的设计.doc
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1、轻型小口径高压气动阀设计前言 轻型小口径高压气动阀是在高压油气井采气井口截断,高压油气井试油试气及压裂快速排液等场所广泛的使用。由于它可以实现远程控制,因而可大大提高高压生产和施工场所的安全性。在设计中综合了以往高压阀的结构特点,并增加了气动装置,以满足远程控制的目的,在内容中,简单介绍了高压气动阀的技术指标和结构特点,并详细设计和计算阀门和气动装置,以满足了高压使用的性能。 此高压气动阀的另一大特点是在减小其体积,减轻其质量上下了很大工夫,使此高压气动阀的搬运性、安装性和安全性都得到了大大的提高,从而为油田的提供了很大的方便。 关键词: 阀门 、 高压 、小口径、 气动、 设计1.概述1.1
2、阀门简介 阀门在国民经济各个部门中都有着广泛的应用,在石油、天然气、煤炭和矿石的开采、提炼加工和管道输出系统中,在化工产品、医药、水电、核电等生产系统中,阀门都起着举足轻重的作用。此外,在国防生产系统中和航天等技术领域里也使用各种性能的阀门。因此,阀门是我国实现四个现代化不可缺少的重要机械产品,它与生产建设、国防建设和人民生活都有着密切的联系。阀门是流体输送系统中的控制部件,具有导流、截流,调节防止倒流、分流或溢流卸压等功能 。阀门安装在各种管路系统中用于控制流体的压力,流向和流量,由于流体的压力、流量、温度、和物理化学性质的不同,对流体系统的控制要求和使用要求也不同,所以,阀们的种类和品种规
3、格非常多,据不完全统计,我国的阀门产品种类已经达到三千多个型号,近三万个规格,随着新的工艺流程和控制要求的的出现,随着现代阀门的技术参数和技术性能的高水平发展需要,随着生产过程日益自动化发展的需要,将会不断提出对阀门新品种的发展需求。为了实现对流体的控制,阀门一般具备以下性能:1)具有良好的抗腐蚀能力2)具有良好的密封性3)防暴防火、可靠耐用4)强度性能5)调节性能6)动作性能7)流通性能对大部分阀门来说,密封性能是首要问题,由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的外漏或内漏,会造成环境污染和经济损失,甚至造成人身死亡,对于高中压气动阀门和安全阀,阀门的安全可靠性也是非常重要的,强度不够或动作不
4、可靠,将会造成本体或系统的破坏,而导致人身伤亡。因此,阀门的流通性能(流阻系数、流量系数)已经得到越来越多人的注意,成为阀门设计者必须重视的问题。阀门的机构虽然千差万别,但基本上都是有驱动装置(自动阀类无)、运动机构、关闭件(或调节元件)、密封件、紧固件和壳体组成。由于其主要零件与流体直接接触,因此在阀门设计时不仅要考虑机械强度、刚度、制造工艺与磨损等问题,还要考虑流体的物理化学作用和流体动力、热力作用产生的问题。目前,高压闸阀按不同方式可分为很多种,如电动闸阀、液控自动闸阀、API磅级闸阀、水封闸阀、保温闸阀、电动铬钼闸阀、美标闸阀、高温高压闸阀、两项流闸阀、高温灰渣闸阀、带吹扫孔闸阀、衬氟
5、闸阀、正齿轮双闸板高压闸阀等。原理也就各不相同,有的是利用堵漏式强制性被动密封,有的是自紧式随机性主动密封。1.2 问题的提出国内现有的手动高压阀多为80年代末引进的技术,由于在施工中,需要人近距离反复启动闸门,十分危险,劳动强度大,由于操作过程中介质外泻,击伤工作人员事故常有发生。另外,由于高压阀使用的环境恶劣,被控介质所含颗粒酸性成分高,加上压力变化幅度大,野外露天使用,给阀门的研制带来许多难度,所以,解决此问题,将会在今后的施工生产中产生良好的经济效益。现行生产、使用的气动闸阀,在工况运行中要克服各种摩擦阻力,尤其是密封面间的静摩擦力,需要施加很大的阀杆轴向力才能达到阀门启动。另外,气动
6、闸阀噪声较大。密封效果是阀门制造的关键要素,密封问题历来是机械行业很难解决的问题。高压截止阀产品曾先后进行过二次大的改进;一次因外漏问题将原上阀体可拆性结构改为焊死的一次性使用结构;另一次为了降低产品价格、缩小体积、减轻重量,采用了非标准的缩u比,即:由标准缩口比大于或等于70 缩小为6O 。但从调查的使用情况看仍存在较严重的漏失、启闭扭矩大、流阻大等问题,直接影响生产。设计应提高气动机构关键密封部位的加工精度,防止微量泄漏。另外,要彻底解决分闸阀锈蚀的问题,应将阀座及锥阀更换为抗氧化性能优良的材质。对气动机构来说,冬季低温时,操动机构箱内必须加温,防止微泄漏后积水结冰将锥阀冻住,造成断路器拒
7、分故障。此外储气罐及管路放水阀部位也必须加温,防止将放水阀冻裂,无法保持压力,从而延长抢修时间。目前国内的高压气动闸阀普遍存在的问题还有就是重量大,体积大,给搬运、安装和维修带来一定的难度。本设计研究的是轻型小口径高压气动阀。重在缩小闸阀体积,减轻闸阀质量,但功能与原理不变,只是在结构方面做一些改动,但是还要满足设计需求,如强度功能等。1.3解决方案针对天然气的生产和需要,在高压油气井采气井口截断,高压油气井试油试气及压裂快速排液等类似的环境下工作的需要,需设计高压气动阀,由于它可以实现远程控制,因而大大提高了高压生产和施工场所的安全性,目前,国内有部分厂家生产高压气动阀,但是规格单一,通经均
8、为DN65,最高压力多为70MPa国内主要稠油开发油田(辽河、胜利 河南、江苏、新疆)使用的阀门,少数从美国引进,绝大多数是国内消化同类进口产品而开发的高压截止阀新产品,现有压力为320 MPa、口径为 50、 65、 8O、 100四种规格产品,每年约有上千台用于各油田。本设计的气动阀,通径为DN20,最高工作压力为105MPa的高压气动阀,它的特点是a. 消除了存在于液压机构的”慢分问题” 绝大部分气动机构分闸采用气动,合闸采用弹簧,分、合闸动力传递的介质不同,所以不会发生工作缸活塞连同断路器的缓慢分闸动作,即慢分问题。b. 避免了微渗漏后的表面脏污,微渗漏是国产开关的老问题,它并不影响产
9、品的性能和使用,但会造成液压机构外表面脏污,影响文明生产。而气动机构的渗漏,不会在机构外表面产生脏污,不会污染环境,由于气体来源于大气,补充时也相当经济。所以气动机构零部件的加工精度要求不很高而气动闸阀本来具有许多优越性,它除有一般闸阀流阻小、流向不受限制等优点外,还有启闭迅速、气动安全、双缸气动保证开启等特点。c.安装,调节简单,操作维护简单.阀体制造也各不相同,有的是砂模制造,有熔模制造,但一般采用熔模制造,因为熔模制造比砂模制造具有更高的透气性,更快更均匀的冷却条件,所以组织更为致密,由于钢液从顶部浇入,有时从冒口直接浇入,浇冒口的位置靠近热节区,为铸件提供了极为有利的顺序凝固条件,热节
10、区得到迅速有利的补缩,所以铸件合格率很高且质量较好。但是本设计用的阀体为锻造.锻造阀体一般都用于小口径阀门,特别是用于公称通径小于或等于DN50高温高压阀门.锻造阀体的优点是质量能保证、组织致密,表面质量好.其缺点是由于流通道采用机械加工(钻空)制成,在孔与孔的过渡区会产生锐角过渡面,造成流阻大,且易产生紊流,介质对阀体侵蚀大;锻件截面与铸件截面相比较不均匀性更大,因此在壁厚处所产生的热应力很大,特别是在高温场合,常会在流道的锐角处发生开裂,并且锻造阀体利用率较低.但丛经济的角度来看,锻造适合与小口径的阀门.1.4 阀门的基本性能阀门的各项基本性能是衡量阀门设计水平和加工质量的主要指标。阀门的
11、基本性能指标如下:1.4.1 强度性能是指阀门承受介质压力的能力。阀门是承受压力的机械产品,因而必须有足够的强度和刚度。以保证长期使用而不发生破裂或产生变形。1.4.2 密封性能是指阀门的密封不见阻止介质泄漏的能力,它是阀门最重要的性能指标。阀门的密封部件有两处起闭件与阀座密封面间的接触,填料与阀杆和添料的配合处,其中前一处的泄漏叫内漏,也就是通常说的关不严。它将影响阀门截断介质的能力。后一处的泄漏叫外漏,即介质从阀内泄漏到到阀外。它影响文明生产造成物料损失,污染环境,严重时还会造成事故,对于像天然气这种易燃、易爆,有毒或者有放射性的介质,外漏更不允许的,因而阀门必须具有良好可靠的密封性能。1
12、.4.3 流阻性能 介质流过阀门后会产生压力损失,也就是阀门对介质的流动有一定的阻力,介质为克服阀门的阻力就必须要消耗一定的能量。从节约能源上考虑,设计和制造时,要尽可能降低阀门对流体介质的阻力。1.4.4 动作性能1.4.4.1启闭力和启闭扭矩指阀门开启或关闭所必须施加的作用力或力矩。关闭阀门时,需要使启闭件与阀座两密封件形成一定的密封比压。同时还要克服阀杆与填料之间及其它摩擦部件的摩擦力。因而必须施加一定的关闭力和关闭力矩。阀门在启闭过程中,所需要的启闭力和启闭力矩是变化的,其最大值是在关闭的最终瞬时或开启的最初瞬时。设计和制造阀门时应力求降低其关闭力和关闭力矩。1.4.4.2 启闭速度启
13、闭速度是用阀门完成一次开启或关闭动作所需要的时间来表示,一般对阀门的启闭速度无严格要求,但有些工况对启闭速度有特殊要求。1.4.4.3 动作灵敏度和可靠性指阀门多介质参数变化做出相应反应的敏感程度。对于特定功能的阀门来说,其动作灵敏度和可靠性是十分重要的性能指标。1.4.4.4 使用寿命它表示阀门的耐用程度。是阀门的重要性能指标,并且有很大的经济意义。通常的能保证密封要求的启闭次数来表示,也可以用时间来表示。2. 技术指标和结构设计特点2.1 主要技术指标 1.公称通径:DN202.最高工作压力:105MPa3.气控压力:0.8MPa4.连接形式:螺纹连接 5.材料:阀体、阀板、气缸等材料为3
14、5CrMo6.控制装置:活塞式汽缸7.阀门型号:Z613H1050Q2.2 组成高压气动阀阀门上端设计采用活塞式气压控制器,下端采用非楔式单闸板阀的结构而组成,主要功能是启闭介质流的通道,与楔式闸阀相比, 无楔紧力与密封有关的力在启闭运动方向的分力为0,所以启闭该阀灵活省力。2.3 工作原理在启闭气压泵源的条件下,通过改变活塞汽缸上气流的大小和方向,便可以改变介质的流动方向,从而可使汽缸活塞上下运动,实现闸阀的开闭。2.4 设计特点天然气具有易燃,易爆特性且地下开采出来的天然气大量为高压和含硫化氢的有毒气体,所以根据该阀门的使用环境,除了要求具有较好的抗腐蚀能力及严格密封性能外,而且还要求具有
15、防爆、防火、可靠耐用等特点,所以,在高压气动阀设计中,主要围绕以上的指标进行。2.5 阀体组件部分阀体组件的设计将参考国内外单闸阀的工作原理,通过金属阀板和金属阀座平面之间的贴合,借助封脂并在介质的作用下,实现浮动密封,密封腔内任何时候都要承受气压力,阀盖与阀体采用螺栓连接。在阀体、阀板、阀座、阀杆、汽缸等主要零件的材料和工艺处理上,将均按照石油部有关规定进行设计。2.6 适用介质天然气、人工煤气、液化石油、压裂液及其它无腐蚀性的气体。3.阀门的设计与计算3.1 设计程序阀门作为管道系统中的一个重要组成部分,应保证安全可靠的执行管道系统对阀门提出的使用要求。因此,阀门设计必须满足工作介质的压力
16、温度及制造、安装等方面对阀门提出的主要要求。阀门设计明确给定技术数据,即“设计任务书”在此基础上方可正确完成设计。机械产品,包括阀门产品的设计程序,目前世界各国基本上采用典型的“三段设计法”,即设计程序被划分为:初步设计、技术设计、工作图设计三个阶段。3.1.1 初步设计初步设计是为研究,确定产品最佳方案而进行的工作。初步设计又称为“方案设计”和编制技术阶段任务等。初步设计阶段的工作内容为: 编制“技术任务书”; 绘制产品方案略图和草图;3.1.2 技术设计技术设计是根据已批准的初步设计进一步设计,计算产品及其组成部分的结构,并绘制产品总图及主要部件装配图。技术设计的工作内容是: 绘制产品总图
17、及主要零部件; 完成设计计算书3.1.3 工作图设计工作图设计是根据技术绘制全部工作图样编制必须的技术文件,工作图阶段的工作内容为: 编写设计文献目录和图样目录; 编写明细表; 绘制零件图、部件图和总装配图;3.2 阀体的设计与计算阀体是阀门中最重要的零件之一,阀体的重量通常占整个阀门的总重量的70%左右。阀体的主要功能有: 作为工作介质的流动通道; 承受工作介质压力、温度、冲蚀和腐蚀; 在阀体内部构成一个空间,设置阀座,以容纳启闭件、阀杆等零件; 在阀体端部设置连接结构,满足阀门与管道系统安装使用要求; 承受阀门启闭载荷和在安装使用过程中因湿度变化、振动、水击等影响所产生的附加载荷; 作为阀
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- 小口径 高压 气动 阀门 设计