水下平板闸阀阀座密封结构及密封机理

    综合分析国外现有水下平板闸阀等同类产品可知， 水下平板闸阀阀座密封结构可根据单侧阀座数分为单阀座密封和分体式阀座密封； 根据密封工作原理可分为单向密封 （下游密封） 和双向密封（上、 下游同时密封）。

1.单阀座密封

    单阀座密封是应用最早的一种密封形式， 其结构特点是平板闸阀阀板两边各布置 １ 个阀座， 与 Ｕ形密封圈组件 ［７］ 和波形弹簧 （或 Ｃ 形弹簧） 相结合， 对称布置。 其中， Ｕ 形密封圈组件的开口面向阀座， 保证下游密封； 波形弹簧主要是确保阀座和阀板在低压状态下紧密接触。 另外， 有的密封结构在闸板两边各配置 １ 个阀板裙， 目的是阻止油气中的固体颗粒进入金属密封面和阀腔内。 图 １ 为单阀座密封结构示意图。

    工作原理 （见图 ２）： 此阀处于关闭状态， 当油气介质进入阀体上游流道内， 可以通过上游阀座与阀体的端面和圆周间隙， 经 Ｕ 形密封圈组件进入阀腔内， 阀腔内的流体介质进入下游阀座与阀体的圆周间隙， 此时 Ｕ 形密封圈组件两端形成压差，促使 Ｕ 形密封组件开口张开， 形成密封屏障， 阻止流体进入阀体下游流道； 同时， 上游油气介质压力推动阀板和下游阀座轴向移动， 阀板与下游阀座接触面形成自密封 （金属与金属密封）， 确保阀腔流体不会从阀板与下游阀座表面进入阀体下游流道中， 实现下游密封。 该密封型式属于单向密封。

2.分体式阀座密封

    分体式阀座是将单阀座划分为 ２ 部分， 即前阀座和后阀座 （根据阀板位置而定）。 此类密封技术主要是 ＮＯＶ Ｔ３ 公司的 ＨＰＴ ＴＭ 密封结构和 ＷＯＭ 公司 Ｍａｇｎｕｍ 闸阀的 Ｓｕａｌ⁃Ｓｅａｌ ＴＭ 密封结构。 前者属于单向密封， 后者属于双向密封。 图 ３ 为 ＨＰＴ ＴＭ 密封结构示意图。

ＨＰＴ ^ＴＭ 密封结构特点是： 阀板两边对称布置 １组分体式阀座 （前阀座和后阀座）， 后阀座与阀体端面布置 ２ 个回弹式 ＰＥＥＫ 材料的 Ｕ 形密封圈， ２个密封圈开口方向相反， 主要是保证阀体流道（上游和下游） 和阀腔内的油气介质不会在后阀座与阀体端面处的间隙中流通。 后阀座和前阀座圆周面上分别安装 １ 个波浪式固定环， 主要作用是安装时定位。 前阀座端面与后阀座内槽端面间安装有 Ｃ形密封圈， 单向流动， 只允许油气介质从阀体流道（上游和下游） 进入阀腔内， 逆向不可流。另外， 该密封结构独特之处是在前阀座和后阀座接触面上设计了台阶， 主要目的是防止油气介质中的固体颗粒进入阀腔内。
工作原理： 此阀处于关闭状态， 当油气介质进入阀体流道上游， 可以通过上游前阀座与后阀座端面和圆周间隙， 经 Ｃ 形金属密封圈进入阀腔内，阀腔内的油气介质进入下游前阀座与后阀座的圆周和端面间隙， 此时 Ｃ 形密封圈两端形成压差， 促使 Ｃ 形密封开口张开， 形成密封屏障， 阻止油气介质进入阀体下游流道， 如图 ４ 中的蓝色箭头表示。 另外， 由于油气介质的压力， 上游前阀座和后阀座相对运动， 阀板、 下游前阀座和后阀座向下游运动， 致使后阀座与阀体端面、 前阀座和阀板接触面、 阀板与下游前阀座面、 下游前阀座与下游后阀座内部端面、 下游后阀座与阀体端面形成金属自密封 （金属与金属密封）， 如图 ４ 中的红色箭头所示压力。 外加两端面开口方向相反的 Ｕ 形密封圈，保证整个闸阀在关闭状态下实现下游的密封。

    ＷＯＭ 公司生产的 Ｍａｇｎｕｍ 闸阀 Ｓｕａｌ⁃Ｓｅａｌ ＴＭ 密封结构如图 ５ 所示。 一个闸板两边各配置 １ 组分体式阀座 （前阀座和后阀座）， 后阀座和阀体的端面和圆周面分别设有径向密封圈和轴向密封圈， 前阀座和后阀座内接触圆面设有轴向密封圈。 该密封件组合正常状态下可完全隔绝阀体流道和阀腔间的油气介质流通， 实现闸阀上、 下游同时密封， 即双向密封。
工作原理： 当闸阀处于正常关闭状态时， 上游油气介质压力推动阀板、 下游前阀座和后阀座向下游移动， 同时上游前阀座和后阀座相对运动， 除了上游前阀座和后阀座间的密封圈形成软密封外， 其余全部是金属密封， 实现闸阀的上游密封， 如图６ａ 所示； 当闸阀处于正常打开状态时， 油气介质完全流通， 油气压力分别推动上、 下游的前阀座和后阀座相对运动， 实现阀腔和阀体流体通道的密封， 如图 ６ｂ 所示； 当油气介质酸性大、 温度高时，密封件的长时间服役会造成主密封件失效， 上游油气介质经上游后阀座和阀体端面进入阀腔， 但阀板与下游前、 后阀座相互接触面由于油气压力形成自密封， 保证闸阀的下游密封， 如图 ６ｃ 所示。

对比分析上述 ３ 种密封结构， 单阀座密封结构较简单， 但由于波形弹簧的正常弹性变形有限， 为保证波形弹簧更长的使用寿命， 此类密封结构比较适合于油气井压力不高的浅海区； 分体式阀座结构比较复杂， 主要是油气压力实现金属自密封， 压力越大， 密封效果越好， 可通过设计阀座结构为浮动， 保证平板闸阀阀板与阀座之间的摩擦力较小，适合于高压油气介质的深海区， 水下服役周期更长； 防砂方面， ＮＯＶ Ｔ３ 公司的 ＨＰＴ ＴＭ 密封结构设计独特， 通过设计凸台结构， 防止油气介质中的固体颗粒进入阀腔内， 延长闸阀寿命， 比较适合于含砂量大的油气井。

注：本文摘选自：水下平板闸阀阀座密封技术探讨，作者：车强， 池胜高，等《石油机械》２０１５ 年　第 ４３ 卷　第 １２ 期

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