中石化石油机械公司 （湖北武汉 430040） 李 俊

中石化石油机械公司第四机械厂 （湖北荆州 434024） 张思勤

【摘 要】防砂闸板阀广泛应用于油井设备的压裂井口和含砂量较大的高压管汇中，目前使用的闸板阀设计原理主要是阀前密封，但是阀前密封存在着许多缺点，且密封效果不稳定，易发生密封失效，使砂砾进入到阀体中腔，增大了阀门维护频率，严重影响阀门的使用寿命。针对这种情况，设计了一种双阀座的防砂闸板阀结构，阀座由内阀座和外阀座组成，内阀座嵌设于外阀座内部，通过室内静水压试验和工业试验，较好地证明了双阀座结构的可靠性，具有很高的工业应用价值。

【关键词】 平板闸阀 阀座 密封结构 防砂

一、前言

闸板阀是最常用的截断阀之一，主要用来接通或截断管路中的介质，不运用于调节介质流量。防砂闸板阀是一种闸板沿介质通道中心线的垂线方向运动的阀门，起着开启或截断管道介质并控制高压介质按照需要流动的作用。平行闸板阀的两个密封面平行，阀座密封面垂直于管道中心和介质流动方向，具有高压密封性好、流体阻力小、开启和闭合力矩小等优点。防砂闸板阀在石油、化工、煤矿和电力等领域已被广泛应用。阀座是防砂闸板阀最重要的零件，阀座设于阀体内部，工作过程中承受着高压流体、阀门启闭载荷、以及振动和摩擦等因素所产生的载荷，阀座结构的设计对防砂闸板阀的性能有着重要的影响，因此，很有必要对防砂闸板阀的阀座结构进行深入系统的研究。

二、防砂闸板阀阀座结构设计

传统的防砂闸板阀阀座均采用单阀座结构，其结构特点是：闸板阀阀板两边各布置一个阀座，两阀座对称布置，如图1所示，阀座与阀体之间设有密封结构，密封结构主要采用U形密封圈组件和波形弹簧（或C形弹簧）相结合的方式，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个阀板挡板，目的是阻止油气中的固体颗粒进入金属密封面和阀腔内。单阀座的工作原理是阀后密封，针对单阀座结构的缺陷，本文设计了一种双阀座结构，如图2所示。双阀座结构由前阀座和后阀座组成，后阀座镶于阀体内部，后阀座于阀体之间设有密封结构，此密封结构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。后阀座与前阀座圆周面上设有一 个固定环，固定环主要作用是安装限位。前阀座端面与后阀座内槽端面间安装有O形密封圈，不允许油气介质从阀体流道（上游和下游）进入阀腔内。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。

图1 单阀座闸板阀

图2 双阀座结构示意图

1、5.后阀座 2、4.前阀座 3.闸板

三、工作原理

阀腔进砂是导致闸板阀关闭失效的主要因素，主要发生在闸板阀关闭状态时，砂粒由闸板和阀座之间的间隙进入阀腔，并堆积在阀腔底部，再次关闭时，阀板不能完全到达底部，造成阀板孔不能对准阀座孔，留有小缝隙，在高压高速高冲蚀性流体通过时，形成孔径节流效应，势必会造成阀座和阀板的快速冲蚀磨损。

传统的单阀座结构在阀关闭过程中采用阀后密封，这样油气介质中砂砾会通过上游阀座与阀板之间空隙进入阀体内。为了解决阀后密封的缺陷，本文设计的这种双阀座结构，内阀座的内侧密封面与防砂板的内侧表面之间形成台阶，当介质压力从进口端进入外阀座和内阀座之间后，将外阀座和内阀座撑开，使外阀座趋向于压紧阀体，内阀座趋向于压紧闸板，且进入外阀座和内阀座之间的介质压力使阀前密封比压大于必需比压，使介质不能进入中腔，从而有效地实现阀前密封。

阀处于工作状态时，阀板孔与阀座、阀体同心，流体导通，油气介质可以直接由阀体流道上游端进入下游，如图3所示。当阀处于关闭状态，阀板向下运动，阀板阀道，隔断流体介质，阀板向右浮动内阀座和外阀座在阀板的挤压下，阀板、内阀座、外阀座和阀体完成密封，同时内阀座和外阀座在上游油气介质的压力下发生相对运动，下游前阀座与外阀座与阀体密封（密封圈结构密封），内阀座与阀板密封（金属与金属密封），如图4所示。

图3 阀开启状态

图4 阀关闭状态

四、工业试验

1.技术参数

1）工作压力：105MPa。

2）公称通径：3 1/16in（78mm）。

3）工作温度：－29～121℃（P～U）。

4）材料级别：EE-0.5。

5）产品性能等级：PR1。

6）产品规范等级：PSL3。

2.设计标准

1）API SPEC 6A 20th，《井口装置及采油树设备规范》。

2）NACE MR－01－75，《油田设备用抗硫化物应力腐蚀断裂和应力腐蚀裂纹的金属材料》。

3.现场试验

2015年4月，在高压试验室内做静水压试验，分别做了三次静水压试验，第一次试验压力从0MPa升压至70MPa，达到70MPa持续15min后，没有出现掉压现象；第二次试验压力从0MPa升压至105MPa，达到105MPa持续30min后，没有出现掉压现象；第三次试验压力从0MPa升压至105MPa，达到105MPa持续60min后，没有出现掉压现象。通过室内静水压试验可以说明双阀座结构密封效果较好。

2015年6月，该防砂闸板阀在江汉井下在重庆焦石坝镇焦页4－2HF井进行工业试验，经现场调试后连接到地面高压管汇中进行测试，整体试压105MPa，稳压60min，无压降。在施工6个月后，将该防砂闸板阀拆卸观察，发现该阀座结构完好，阀体内部没有出现砂砾堆积的现象，从而说明该防砂闸板阀结构能适应油田作业工况。

五、结语

1）双阀座防砂闸板阀采用阀前密封结构，有效地弥补了单阀座阀后密封的缺陷，可以有效阻止油气介质中的砂砾进入阀体内部，延长了防砂闸板阀的使用寿命。

2）双阀座结构设计简单、适应性强、操作简便且维护成本低廉，对各种高压阀的设计具有很高的参考价值和应用价值。

3）双阀座防砂闸板阀应在额定压力下工作，当介质压力超过额定压力时，内阀座与外阀座会被撑开，介质中的砂砾可能会进入内阀座和外阀座之间的间隙，损坏阀座密封面，造成阀门密封失效，从而影响阀门的使用寿命。

4）对用户进行防砂闸板阀使用（如装配流程、闸阀开关顺序）和保养等方面的系统培训，严禁超额定工作压力使用，避免使用风险、延长设备使用寿命。