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一体式球阀技术颠覆传统球阀设计

一体式球阀技术颠覆传统球阀设计

凭借独特的设计,斯伦贝谢新式一体式阀座球阀可实现气体与液体的密封,同时减小空间与重量,还提高了可靠性。

来自丨E&P
编译丨Tom

据美国专利数据库显示,石油与天然气行业使用的球阀最早可追溯到100多年前。球阀技术的发展已经获得了众多的进展,其中就包括1938年推出的ORBIT上升式球阀,1952年WKM使用的Teflon阀座以及1960年的CAMERON T30系列全焊接球阀。每项新技术都试图通过提高性能,加快作业或减轻重量与成本,来改进已有2000多年历史的阀门原理。

由于行业标准滞后于市场需求,终端用户与作业者则不断推进现有技术的界限。特别是对于海上石油与天然气生产行业,必须平衡阀的性能、体积、重量、可操作性与可维护性,因此正在将现有技术推向极限。而每个新的海上开发项目都必须应对日益复杂的挑战,如更高的压力,更高的含硫量,更高的二氧化碳含量,更高的砂或水含量。

下一个合乎逻辑的进步

传统的球阀解决方案为了考虑空间与重量,或者仅考虑防渗漏性,而牺牲了球阀的使用寿命。在业内,斯伦贝谢旗下Cameron公司设计了一个球阀以及配套的一体式阀座技术。

GROVE IST阀座一体式(IST)球阀是直角回转球阀技术的下一个发展,就像固定式球阀是浮动式球阀的发展一样。使用IST时,阀门的主要密封面与球状球芯分离(图1)。一体式阀座作用于阀体内的止回阀座。在密封位置,阀座与止回阀座靠弹簧与压力提供能量,以保持均匀的接触应力,从而不受球的弹性变形(也称为球形弯曲)影响。这克服了金属阀座固定式球阀最复杂的设计难题。

这个构思可以显著改善球阀的可重复的关闭密封性,减少磨损,防止阀座与球阀磨损,减小阀门部件的尺寸以及减小作业扭矩。

一体式球阀技术颠覆传统球阀设计

图1.运用有限元分析与计算流体动力学进行设计,球阀在紧凑的设计中提供了更好的密封性。

紧凑型设计的优势

主密封面与球芯的分离消除了对软阀座的需求,以克服球阀所受的弯曲。这种分离还允许使用不受传统研磨技术限制的新方法来生产部件。阀座的形状进一步改善了接触应力的均匀性,延长了使用寿命,并确保始终能实现设计的阀座活塞力。只有采用新的阀门技术才能实现这种改进,而不能复制之前传统的技术。

这种新型球阀还具有在阀内的专利形状,它可通过改变阀门的流量,将任何固体颗粒导流至流体中心,并远离球阀的密封面。这种形状可在阀座接口处产生文丘里效应,通过从密封面带走颗粒来清洁阀孔。

作业优势

通常避免使用金属对金属的球座球阀的闭合密封,或者仅在成本较大时使用。由于集成了上述一系列技术,IST阀可实现对液体与气体的密封,这对于关键性作业是很重要的。在排污作业时,阀门泄漏相当于损失收入;在隔离设备时,阀门泄漏可能会中断及时进行的关键性作业的运转或造成危险情况。

同样,减小元件尺寸也会产生多米诺效应,与顶入式与侧入式球阀相比,它可显著减轻重量。这种影响还可能延续至球阀的扭矩以及随后球阀的自动化。一般来说,所需的制动器尺寸通常为一半或更小。驱动设计通常是管道工程师设计时最困难的部分,因为大而笨重的驱动可能会导致结构干扰以及意料之外的管道应力。

IST可为作业者提供的最大好处就是高压应用,因为高压应用时球阀重量、制动器尺寸或关闭密封可能是最关键的。

应用实例包括位于立管、管线、歧管、回转头以及其他安全功能(如高完整性压力保护系统)的阀门。部件使用寿命的延长与顶端插入式结构降低了球阀的操作成本,并简化了在这些复杂环境中所需的设备。与传统阀门相比,这种球阀使用寿命更长,所需的维护作业也很简单。

GROVE IST球阀可维持在管线上,并减少了从管线上卸下所需的起重能力。不再需要像传统的金属座阀那样更换球芯,因此通过备件管理节约了成本。这种新式阀门不需要特殊的工具来将球体从阀体上拆卸,从而消除了传统顶端插入式球阀的主要限制。

为了这些关键的应用构建了一项强大的技术,这项技术的开发与测试,都采用了与传统顶端插入式球阀无关的全面认证制度。在制造出第一个球阀之前,最新的计算流体动力学与有限元分析工具已被用于验证每一个设计。这些模拟扩展了典型球阀设计方法的边界,随后通过物理测试结果进行了验证。在建立与测试每一个尺寸后,整个安全范围都要经过比正常行业标准更严苛的资格认证。这包括美国石油学会(API)6A PR2测试,包括高低温,API 607 / 6FA耐火测试以及API 6AV1砂浆认证。该阀门安全范围也在最严格的作业条件下进行了验证,包括高循环排量时开关测试以及高压气体排放测试,这些都不会影响球阀的性能。

LEDEEN CP气动与HS螺旋液压驱动系列驱动器补充了球阀的新技术(图2)。CP与HS驱动器都是经过特别的优化,可直接安装在GROVE IST上,并与所需的扭矩曲线相匹配。这样可以使驱动器尺寸最小化,驱动器制造商已经对模块化部件的设定间隔进行了标准化,并确保一体式阀座球阀与LEDEEN紧凑型驱动器的整套设备是体积最小的解决方案。

一体式球阀技术颠覆传统球阀设计

图2.GROVE IST与CP小型驱动器结合(左图)和GROVE IST球阀与HS小型驱动器结合(右图)

海上采油商与作业者不再需要为了空间、重量或成本而牺牲性能与安全性。凭借重新设计的密封技术的独特组合,单独阀门设计就可实现气体或液体的密封关闭,同时减小空间或重量,还提高了可靠性。

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