CN104832703A - 一种深海高压阀门阀杆双向密封结构及密封减磨测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海高压阀门阀杆双向密封结构及密封减磨测试方法，包括设置在阀门一端的水下执行机构，各密封结构都包括阀体、上阀盖、阀杆和阀杆密封部分；上阀盖分别与阀体、水下执行机构连接，上阀盖与阀杆之间设置有阀杆密封部分；在上阀盖一侧设置有检测螺纹孔。本发明采用了在阀杆密封装置两端的水下执行机构内的平衡压力与阀门内的介质压力分别作用在阀杆两个相对方向上的多重组合密封件，密封力随压力升高而增大，实现阀杆双向压力密封。并通过设置在上阀盖上的螺纹检测孔向阀杆内部注入润滑脂，提高密封件的使用寿命和阀杆动作的灵活性。本发明可以广泛在深海控制阀领域中应用。

Description

一种深海高压阀门阀杆双向密封结构及密封减磨测试方法

技术领域

本发明涉及一种阀杆密封结构及密封测试方法，特别是关于一种在深海控制阀领域中应用的深海高压阀门阀杆双向密封结构及密封减磨测试方法。

背景技术

随着我国石油勘探开发向海洋的战略转移，对海洋石油装备的需求进一步加大，对国外的技术和装备依赖性更大，所以无论是从国家能源安全方面还是从装备制造业未来发展方面考虑，研制适合我国油气勘探和开发的钻采装备都迫在眉睫。

水下阀门装置及设备长期被国外公司垄断，国内缺少此方面的投入和研究，近年来，我国的部分企业已经就海洋石油水下装备专项技术及产品展开了研究，取得了很大的进步；但是国内少有企业或机构对水下阀门装置展开系统、全面的研究。由于陆地使用的阀门一般无需考虑外部环境压力对阀杆的密封影响，且从外部便于观察和发现密封缺陷，易于维修，故只需考虑阀门内部的介质压力对阀杆密封的影响，即单一压力方向的密封可靠性和维修性，国内外的陆上阀门均无特殊要求，阀杆均是采用此种单一方向的压力密封装置。但是，在深海环境下使用的阀门，除了要考虑阀门内部的介质压力对阀杆密封的影响外，还需考虑阀门阀杆的密封装置一端受水下执行机构内部平衡压力的密封影响，该平衡压力通过一种深海压力平衡补偿装置实现执行机构内部压力随外部深海环境水深压力的变化而变化，实现内外压力的动态平衡和对水下执行机构的压力保护。此时的阀杆密封装置将受到介质压力和水深压力的共同作用影响。通过对国外深海阀门阀杆密封结构的研究，国外深海阀门阀杆密封多是采用径向动密封与静密封相组合的多重密封结构形式和密封装置，且以承受阀门内部的介质压力也为单一的密封方向。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，该密封结构能实现对水下高压阀门阀杆双向密封。

本发明的另一目的是提供一种深海高压阀门阀杆双向密封结构的密封减磨测试方法，该测试方法利用压力平衡的特点，能适应深海油气开采装置中深海高压阀门的阀杆动态、静态密封和测试，降低阀杆摩擦阻力，保证阀杆密封的可靠性，实现长周期免维护，使用寿命长的性能要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：它包括设置在阀门一端的水下执行机构，各所述密封结构都包括阀体、上阀盖、阀杆和阀杆密封部分；所述上阀盖与所述阀体、所述水下执行机构分别连接，所述上阀盖与所述阀杆之间设置有所述阀杆密封部分；在所述上阀盖一侧设置有检测螺纹孔。

连接所述水下执行机构一端的所述上阀盖上开设有填料孔，所述填料孔顶部通过紧固螺柱固定填料压盖，位于所述填料压盖下部的所述填料孔内设置有两层填料底垫，在两层所述填料底垫之间设置有灯笼套；所述灯笼套与所述上阀盖之间形成第一环形腔室，所述灯笼套与所述阀杆之间形成第二环形腔室；在所述灯笼套中部设置有导流孔，所述导流孔与所述第一环形腔室、第二环形腔室连通；所述检测螺纹孔依次与所述第一环形腔室、导流孔和第二环形腔室连通。

位于所述阀体与所述上阀盖连接侧，所述阀体与所述上阀盖之间形成阀体内腔室；位于所述上阀盖与所述水下执行机构连接侧，所述上阀盖与所述水下执行机构之间形成上阀盖内腔室。

所述密封部分包括第一密封件、第二密封件、V性填料组合密封件、第三密封件和第四密封件；所述上阀盖与所述阀体连接侧，位于所述上阀盖与所述阀杆之间设置有所述第一密封件；在所述第一密封件上部、所述填料孔底部设置有所述第二密封件；在所述填料孔内，两层所述填料底垫与所述灯笼套之间都设置有所述V性填料组合密封件；在所述填料孔上部，所述填料压盖上部与所述阀杆之间设置有所述第三密封件；所述填料压盖与所述上阀盖之间设置有所述第四密封件。

所述检测螺纹孔处设置有堵塞。

所述上阀盖与所述阀杆之间设置有导向衬套。

一种基于上述深海高压阀门阀杆双向密封结构的密封减磨测试方法，其包括以下步骤：1)将装配完成的阀门整机通过操作水下执行机构，使阀门处于部分开启状态后，向阀体、上阀盖之间的阀体内腔室内注入试验介质，并逐级加压到用于测试阀杆密封所需的试验压力；2)试验介质通过上阀盖、导向衬套、阀杆之间的空隙将试验压力作用到第一密封件上，实现对阀杆一端的第一级密封进行测试；3)如果第一密封件的密封失效，试验介质则继续沿着上阀盖与阀杆之间的间隙将第一密封件泄漏的压力作用到第二密封件上，实现对阀杆一端的第二级密封进行测试；4)如果第二密封件的密封失效，试验介质则继续沿着填料底垫与上阀盖、阀杆之间的配合间隙将第二密封件泄漏的压力作用到位于填料孔底部的V性填料组合密封件上，实现对阀杆一端和填料孔的第三级密封进行测试；5)如果位于填料孔底部的V性填料组合密封件处的密封失效，则泄漏后的试验介质会在第一环形腔室、第二环形腔室及导流孔内部积存，最终通过导流孔及检测螺纹孔流到上阀盖的外表面，实现对阀杆一侧压力密封性能的检测；6)将完成步骤1)～5)的阀门进行一次完整的开关动作，再次将阀门打开到部分开启状态后，观察检测螺纹孔处是否有泄漏，检测结束后将阀体内腔室的试验压力安全卸放；7)在完成6)步骤后，向水下执行机构内部的压力平衡内腔注入试验介质，试验介质通过水下执行机构内部的导流孔注入到执行机构与上阀盖连接安装后形成的上阀盖内腔室内，并逐级加压到阀门预设水深所需的试验压力；8)试验介质通过填料压盖与阀杆、填料压盖与上阀盖填料孔之间的配合间隙分别将试验压力作用在第三密封件、第四密封件上，实现对阀杆另一端和填料孔的第一级密封进行测试；9)如果第三密封件、第四密封件分别或同时密封失效，试验介质则继续沿着填料压盖、导向衬套、阀杆之间的配合间隙将泄漏的压力作用在位于填料孔上部的V性填料组合密封件上，实现对阀杆另一端和填料孔的第二级密封进行测试；10)如果位于填料孔上部的V性填料组合密封件处的密封失效，则泄漏后的试验介质会在第一环形腔室、第二环形腔室及导流孔内部积存，最终通过导流孔及检测螺纹孔流到上阀盖的外表面，实现对阀杆另一侧压力密封性能的检测；11)将测试检验合格的阀门，先通过检测螺纹孔向灯笼套内吹扫干燥的压缩空气，清除试验介质后，将注脂工具连通到检测螺纹孔端开始注脂，润滑脂将通过检测螺纹孔、导流孔向第一环形腔室、第二环形腔室依次注满润滑脂后，用堵塞将检测螺纹孔封堵。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用在阀杆密封装置两端的水下执行机构内的平衡压力与阀门内的介质压力分别作用在阀杆两个相对方向上的多重组合密封件，各密封件采用自紧式结构，密封力可随压力升高而增大，实现阀杆双向压力密封。2、本发明为了降低阀杆及密封件在动作运行时的摩擦阻力，通过设置在上阀盖上的螺纹检测孔向阀杆内部注入润滑脂，提高密封件的使用寿命和阀杆动作的灵活性。本发明可以广泛在深海控制阀领域中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其包括设置在上阀盖上端的水下执行机构，水下执行机构与上阀盖、阀杆之间的密封、连接不在本发明之内，此处不做详细说明，仅以上阀盖一端为例进行说明。本发明密封结构都包括阀体1、上阀盖2、阀杆3和阀杆密封部分。阀体1与上阀盖2的下端连接，上阀盖2的上端与水下执行机构连接(图中未示意)，上阀盖2与阀杆3之间设置有阀杆密封部分。位于阀体1与上阀盖2的下端之间形成阀体内腔室V1；位于上阀盖2的上端与水下执行机构连接下侧端之间形成上阀盖内腔室V2。靠近水下执行机构一端的上阀盖2上开设有填料孔4，在填料孔4顶部通过紧固螺柱5固设有填料压盖6，位于填料压盖6下部的填料孔4内设置有两层填料底垫7，在两层填料底垫7之间设置有灯笼套8。位于灯笼套8中部，灯笼套8与上阀盖2上开设的填料孔4之间形成第一环形腔室V3，灯笼套8与阀杆3之间形成第二环形腔室V4。在灯笼套8中部设置有导流孔9，导流孔9与第一环形腔室V3、第二环形腔室V4连通；在上阀盖2一侧设置有检测螺纹孔10，检测螺纹孔10依次与第一环形腔室V3、导流孔9和第二环形腔室V4连通。

上述实施例中，如图1所示，密封部分包括第一密封件11、第二密封件12、V性填料组合密封件13、第三密封件14和第四密封件15。在上阀盖2与阀体1连接侧，位于上阀盖2与阀杆3之间设置有第一密封件11；在第一密封件11上部、填料孔4底部设置有第二密封件12。在填料孔4内，两层填料底垫7与灯笼套8之间都设置有V性填料组合密封件13(靠近第二密封件12侧的V型填料开口朝下，靠近第四密封件15侧的V型填料开口朝上，如图1所示)。在填料孔4上部，填料压盖6上部与阀杆3之间设置有第三密封件14；填料压盖6与上阀盖2之间设置有第四密封件15，第四密封件15位于第三密封件14下方。

上述各实施例中，位于检测螺纹孔10处设置有堵塞16。

上述各实施例中，位于上阀盖2与阀杆3之间设置有导向衬套17。

综上所述，本发明的深海高压阀门阀杆双向密封结构是利用上阀盖2两端的水下执行机构内的平衡压力P2与阀体内的介质压力P1分别作用在阀杆3两个相对方向上的多重组合密封件，各密封件采用自紧式结构，密封力可随压力升高而增大，实现阀杆3双向压力密封；同时为了降低阀杆及密封件在动作运行时的摩擦阻力，可通过检测螺纹孔10向阀杆3内部注入润滑脂，提高各密封件的使用寿命和阀杆3动作的灵活性。

如图1所示，本发明还提供一种深海高压阀门阀杆双向密封结构的密封减磨测试方法，由于在深海环境下使用的阀门，除了要考虑阀门内部的介质压力对阀杆密封的影响外，还需考虑阀门阀杆的密封结构一端受水下执行机构内部平衡压力的密封影响(在阀门首次向水下吊放安装施工过程中是随水深动态变化，在安装到海底后基本保持不变)，该平衡压力通过深海压力平衡补偿装置实现执行机构内部压力随外部深海环境水深压力的变化而变化，实现内外压力的动态平衡和对水下执行机构的压力保护。阀门在投入使用后，阀杆密封件将受到介质压力和水深压力的共同作用影响。在水下高压阀门制造、检验过程中，为了保证阀门阀杆密封、动作的可靠性和灵活性，实现阀门装置的长周期免维护，高可靠性的使用性能，就需对阀杆密封结构进行检测。本发明的测试方法具体包括以下步骤：

1)确保阀体1内部、阀杆3及阀门配套执行机构等各部件连接正确，密封处无明显损伤，阀门流道及内部各腔室内部清洁、无异物；

2)按装配顺序将阀门零部件及密封件进行装配，依次完成阀门整机装配、阀门与水下执行机构的连接、密封，并将阀门两端封堵。

3)将步骤2)中装配完成的阀门整机，通过操作水下执行机构，使阀门处于部分开启状态后，向阀体1、上阀盖2之间的阀体内腔室V1内注入试验介质，并逐级加压到用于测试阀杆密封所需的试验压力P1；

4)试验介质通过上阀盖2、导向衬套17、阀杆3之间的空隙将试验压力P1作用到第一密封件11上，实现对阀杆3一端的第一级密封进行测试；

5)如果第一密封件11的密封失效，试验介质则继续沿着阀体1与阀杆3之间的间隙将第一密封件11泄漏的压力作用到第二密封件12上，实现对阀杆3一端的第二级密封进行测试；

6)如果第二密封件12的密封失效，试验介质则继续沿着填料底垫7与上阀盖2、阀杆3之间的配合间隙将第二密封件12泄漏的压力作用到位于填料孔4底部的V性填料组合密封件13上(如图1所示)，实现对阀杆3一端和填料孔4的第三级密封进行测试；

7)如果位于配合间隙底部的V性填料组合密封件13处的密封失效，则泄漏后的试验介质会在上阀盖2填料孔4的灯笼套8与上阀盖2之间的第一环形腔室V3、阀杆3与灯笼套8之间的第二环形腔室V4及导流孔9内部积存，最终通过灯笼套8上的导流孔9及检测螺纹孔10流到上阀盖2的外表面，从而实现对阀杆3一侧压力P1密封性能的检测。

8)将完成步骤3)～7)的阀门进行一次完整的开关动作，再次将阀门打开到部分开启状态后，观察检测螺纹孔处是否有泄漏，检测结束后将阀体内腔室的试验压力安全卸放；

9)在完成8)步骤后，向水下执行机构内部的压力平衡内腔注入试验介质，试验介质将通过水下执行机构内部的导流孔注入到执行机构与上阀盖2连接安装后形成的上阀盖内腔室V2内，并逐级加压到阀门预设水深所需的试验压力P2；

10)试验介质通过填料压盖6与阀杆3、填料压盖6与上阀盖2填料孔4之间的配合间隙分别将试验压力P2作用在第三密封件14、第四密封件15上，实现对阀杆3另一端和填料孔4的第一级密封进行测试；

11)如果第三密封件14、第四密封件15分别或同时密封失效，试验介质则继续沿着填料压盖6、导向衬套17、阀杆3之间的配合间隙将第三密封件14或第四密封件15泄漏的压力作用在位于填料孔4上部的V性填料组合密封件13上(如图1所示)，实现对阀杆3另一端和填料孔4的第二级密封进行测试；

12)如果位于填料孔4上部的V性填料组合密封件13处的密封失效，则泄漏后的试验介质会在上阀盖2填料孔4的灯笼套8与上阀盖2之间的第一环形腔室V3、阀杆3与灯笼套8之间的第二环形腔室V4及导流孔9内部积存，最终通过灯笼套8上的导流孔9及检测螺纹孔10流到上阀盖2的外表面，从而实现对阀杆3另一侧压力P2密封性能的检测。

13)完成步骤1)～12)的测试并检验合格的阀门，先通过检测螺纹孔10向灯笼套8内吹扫干燥的压缩空气，清除试验介质后，将注脂工具连通到检测螺纹孔10端开始注脂，润滑脂将通过检测螺纹孔10、导流孔9向第一环形腔室V3、第二环形腔室V4依次注满润滑脂后用堵塞16将检测螺纹孔10封堵。阀杆3动作时，贮存在第二环形腔室V4腔内的润滑脂可以降低阀杆3与第二密封件12、V性填料组合密封件13、第一密封件11、第三密封件14、导向衬套17之间的摩擦阻力，延长使用寿命，保证阀杆3动作灵活。

综上所述，将本发明应用于水下1500米，额定压力5000PSI(34.5MPa)闸阀的阀杆密封、填料孔密封、密封测试、注脂减磨设计中，经过试验测试，阀杆实现的最大密封试验压力可以达到52MPa，无明显渗漏；在额定工作压力34.5MPa，注入润滑脂试验下，阀杆的摩擦阻力比理论设计计算值降低约20％～30％，能有效延长密封件使用寿命，保证阀杆动作地灵活性。本发明可以在试验后通过堵塞16实现安全快捷的封堵。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：它包括设置在阀门一端的水下执行机构，各所述密封结构都包括阀体、上阀盖、阀杆和阀杆密封部分；所述上阀盖与所述阀体、所述水下执行机构分别连接，所述上阀盖与所述阀杆之间设置有所述阀杆密封部分；在所述上阀盖一侧设置有检测螺纹孔。

2.如权利要求1所述的一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：连接所述水下执行机构一端的所述上阀盖上开设有填料孔，所述填料孔顶部通过紧固螺柱固定填料压盖，位于所述填料压盖下部的所述填料孔内设置有两层填料底垫，在两层所述填料底垫之间设置有灯笼套；所述灯笼套与所述上阀盖之间形成第一环形腔室，所述灯笼套与所述阀杆之间形成第二环形腔室；在所述灯笼套中部设置有导流孔，所述导流孔与所述第一环形腔室、第二环形腔室连通；所述检测螺纹孔依次与所述第一环形腔室、导流孔和第二环形腔室连通。

3.如权利要求1所述的一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：位于所述阀体与所述上阀盖连接侧，所述阀体与所述上阀盖之间形成阀体内腔室；位于所述上阀盖与所述水下执行机构连接侧，所述上阀盖与所述水下执行机构之间形成上阀盖内腔室。

4.如权利要求2所述的一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：位于所述阀体与所述上阀盖连接侧，所述阀体与所述阀杆之间形成阀体内腔室；位于所述上阀盖与所述水下执行机构连接侧，所述阀杆与所述上阀盖、水下执行机构之间形成上阀盖内腔室。

5.如权利要求1～4任一项所述的一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：所述密封部分包括第一密封件、第二密封件、V性填料组合密封件、第三密封件和第四密封件；所述上阀盖与所述阀体连接侧，位于所述上阀盖与所述阀杆之间设置有所述第一密封件；在所述第一密封件上部、所述填料孔底部设置有所述第二密封件；在所述填料孔内，两层所述填料底垫与所述灯笼套之间都设置有所述V性填料组合密封件；在所述填料孔上部，所述填料压盖上部与所述阀杆之间设置有所述第三密封件；所述填料压盖与所述上阀盖之间设置有所述第四密封件。

6.如权利要求1～4任一项所述的一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：所述检测螺纹孔处设置有堵塞。

7.如权利要求5所述的一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：所述检测螺纹孔处设置有堵塞。

8.如权利要求1～4、7任一项所述的一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：所述上阀盖与所述阀杆之间设置有导向衬套。

9.如权利要求5所述的一种深海高压阀门阀杆双向密封结构，其特征在于：所述上阀盖与所述阀杆之间设置有导向衬套。

10.一种如权利要求1～9任一项所述深海高压阀门阀杆双向密封结构的密封减磨测试方法，其包括以下步骤：

1)将装配完成的阀门整机通过操作水下执行机构，使阀门处于部分开启状态后，向阀体、上阀盖之间的阀体内腔室内注入试验介质，并逐级加压到用于测试阀杆密封所需的试验压力；

2)试验介质通过上阀盖、导向衬套、阀杆之间的空隙将试验压力作用到第一密封件上，实现对阀杆一端的第一级密封进行测试；

3)如果第一密封件的密封失效，试验介质则继续沿着上阀盖与阀杆之间的间隙将第一密封件泄漏的压力作用到第二密封件上，实现对阀杆一端的第二级密封进行测试；

4)如果第二密封件的密封失效，试验介质则继续沿着填料底垫与上阀盖、阀杆之间的配合间隙将第二密封件泄漏的压力作用到位于填料孔底部的V性填料组合密封件上，实现对阀杆一端和填料孔的第三级密封进行测试；

5)如果位于填料孔底部的V性填料组合密封件处的密封失效，则泄漏后的试验介质会在第一环形腔室、第二环形腔室及导流孔内部积存，最终通过导流孔及检测螺纹孔流到上阀盖的外表面，实现对阀杆一侧压力密封性能的检测；

6)将完成步骤1)～5)的阀门进行一次完整的开关动作，再次将阀门打开到部分开启状态后，观察检测螺纹孔处是否有泄漏，检测结束后将阀体内腔室的试验压力安全卸放；

7)在完成6)步骤后，向水下执行机构内部的压力平衡内腔注入试验介质，试验介质通过水下执行机构内部的导流孔注入到执行机构与上阀盖连接安装后形成的上阀盖内腔室内，并逐级加压到阀门预设水深所需的试验压力；

8)试验介质通过填料压盖与阀杆、填料压盖与上阀盖填料孔之间的配合间隙分别将试验压力作用在第三密封件、第四密封件上，实现对阀杆另一端和填料孔的第一级密封进行测试；

9)如果第三密封件、第四密封件分别或同时密封失效，试验介质则继续沿着填料压盖、导向衬套、阀杆之间的配合间隙将泄漏的压力作用在位于填料孔上部的V性填料组合密封件上，实现对阀杆另一端和填料孔的第二级密封进行测试；

10)如果位于填料孔上部的V性填料组合密封件处的密封失效，则泄漏后的试验介质会在第一环形腔室、第二环形腔室及导流孔内部积存，最终通过导流孔及检测螺纹孔流到上阀盖的外表面，实现对阀杆另一侧压力密封性能的检测；

11)将测试检验合格的阀门，先通过检测螺纹孔向灯笼套内吹扫干燥的压缩空气，清除试验介质后，将注脂工具连通到检测螺纹孔端开始注脂，润滑脂将通过检测螺纹孔、导流孔向第一环形腔室、第二环形腔室依次注满润滑脂后，用堵塞将检测螺纹孔封堵。