四通换向旋塞阀的研制

张 梅，冯玉龙，杨振宁

（西安航天远征流体控制股份有限公司，西安 710100）

0 引言

四通换向旋塞阀是流量计量系统的重要装备之一，可用于油品等介质流向的切换，或与体积管配合使用于计量橇装系统，计量橇装系统以其高精度、高稳定性的特点广泛应用于石油天然气行业［1］，其安全可靠的运行是保证油品计量和化工生产的重要条件。目前国外关于四通旋塞阀的研究和应用已较为成熟，也拥有较为成熟的产品。在国内油品计量场合中，绝大多数四通换向旋塞阀依赖进口产品，然而国外相关产品价格高、订货周期长、维修及零部件更换困难。从我国石化行业长远发展来看，有必要对四通换向旋塞阀开展相关研制工作，降低对国外产品的依赖程度。

本文中研制的四通换向旋塞阀是用于油品流量计量系统的阀门，除满足常规阀门的零泄漏、动作顺畅、在线检漏等功能外，还应满足客户对于通流能力的要求。本文中结合相关项目要求及阀门现场使用情况，按照相关国际标准和规范的要求，完成了一种典型规格的四通换向旋塞阀设计、生产和试验过程，为四通换向旋塞阀的国产化奠定基础，也为后续系列化及产业化提供条件。

1 技术指标

为满足加工工艺及操作和使用要求，同时满足用户需求，四通换向旋塞阀的相关技术指标如下：

（1）公称尺寸、公称压力和安装尺寸满足相关标准，通径：NPS4（DN100），压力等级：class300（PN50）；

（2）通流能力：Kv≥300；

（3）阀体最小壁厚、最小流道直径符合 API 6D 的要求；

（4）密封性能：满足ISO 5208/GB/T13972，A 级；

（5）耐火性能：满足ISO 10497－5 要求。

2 方案设计

2.1 技术难点

（1）传动结构设计：采用双层螺纹传动结构满足阀门动作要求；

（2）通流能力设计及验证：结合CFD 模拟及试验手段，获得满足用户需求的流道设计；

（3）密封结构设计及工艺研究：通过将特殊结构的密封胶圈硫化在滑片上实现阀门零泄漏，并设计专用模具实现密封胶圈的成型。

2.2 总体结构设计

本文中研制的四通换向旋塞阀主要由3 部分构成，包括主阀、操作器及泄放装置，如图1 所示，配有多回转电动执行机构用于完成阀门动作，也可采用手动操作。阀门与管道采用法兰连接。

图1 四通换向旋塞阀结构示意Fig.1 Structural diagram of four-way diverter valve

四通换向旋塞阀在一次换向过程中的动作可分为3 步：提升、旋转和下压。

首先转动手轮或启动电动执行器，通过操作器使与之相连的楔形旋塞提升，旋塞与滑片之间采用燕尾槽连接，通过燕尾槽的作用可以使带有密封胶条的滑片缩回，与阀体脱离开，然后在密封胶条与阀体完全不接触的情况下转动90°，使滑片两侧通道口与阀体上的流道出入口沿周向对齐，最后下压旋塞，完全对齐流道口，此时滑片上密封胶条与阀体贴紧，完全隔断阀门2 个流道与中腔，保证流体流经阀门时不会泄漏至阀门中腔。此动作即可完成阀门由工作状态1 切换至工作状态2。当阀门由工作状态2 切换回工作状态1 时，操作器先提升旋塞，使滑片与阀体脱离，再逆向转动90°，最后下压旋塞，从而完成工作状态2 至工作状态1 的切换。由于操作器的自锁作用，旋塞压紧后流体作用在密封滑片上的力不会使旋塞移动，属于强制密封结构，保证密封可靠［2］。

2.3 主阀结构设计

主阀主要由阀体、旋塞、两幅滑片（嵌橡胶密封圈）、上端盖、下端盖、石墨填料、O 形橡胶密封圈等零件组成，如图3 所示。

图3 四通换向旋塞阀主阀结构Fig.3 Main valve structure of four-way diverter valve

旋塞为楔形结构，中间有一窗口结构可作为流体通道，旋塞两侧设有燕尾形凸台，可连接旋塞与2 副滑片。滑片上设有密封胶条，采用氟橡胶材料直接硫化在滑片上对应的凹槽内，形成凸起的密封圈结构。使用时密封圈受压缩变形，从而保证流体不会在流经阀门时泄漏至阀门中腔，通过此种主动式密封结构，实现了阀门的气泡级密封。上、下端盖上均安装有滑动DUB 轴套，用于支承旋塞运动，DUB 轴套的承载能力高，摩擦力小，使用寿命长，适合用于长期运行的阀门中。

滑片密封胶圈分布在滑片外侧的圆柱面上，如图4 所示，与阀体内腔的圆柱面配合，实现密封功能。为使滑片密封面与阀体能够顺利脱开，保证旋转过程中不损伤橡胶密封面，在滑片另一侧截面设计有与旋塞燕尾凸台相匹配的燕尾凹槽结构，在滑片和旋塞侧面分别采用7.5°的倾角，通过合理的行程设计，保证在上提过程中滑片沿径向缩回足够的距离，密封胶圈完全脱开阀体内腔，实现无摩擦启闭阀门，此种设计一方面可减小阀门动作时的摩擦力，另一方面也可延长橡胶密封胶圈的使用寿命。

图4 滑片结构Fig.4 Structure of slip

旋塞中部挖空，作为流体流道的一部分。旋塞中部流道形状的设计首先应满足滑片的强度、刚度要求［3］，其次还需满足通流能力要求，合理的流道设计可实现滑片机械性能及阀门通流能力的最优化。为保证阀门Kv值达到设计要求，对流道形状进行多次设计，结合CFD 流场模拟计算结果修改流道结构，最终获得了符合设计要求的流道结构［4-8］。

考虑到在实际使用过程中，油品介质里可能包含多种杂质，在阀门底部设计了排污结构，加装一个上表面为斜面的排污垫板，在最低处设置截止球阀，使污油、杂质等污物沿垫板斜面汇集到阀门最底端，然后由排污球阀排出阀门。四通换向旋塞阀在设计时也考虑了耐火安全性，密封滑片的金属基体与阀体内腔在关闭状态下可完全贴合，形成金属硬密封，保证在失火状态下密封胶圈失效时，阀门仍可保持较好的密封性。阀杆、端盖与阀体间除橡胶O 形圈密封外还设置了一道石墨填料或石墨垫圈密封，可满足耐火密封要求［9］。

2.4 操作器结构设计

四通换向旋塞阀的操作器主要功能是将执行器的多回转运动转化为阀门动作所需的提升、旋转和下压动作，由操作器壳体、滚子、导向销、双层梯形螺纹传动机构及蜗轮、蜗杆传动机构等组成。为实现阀门功能，操作器采用双层梯形螺纹传动结构，配合滚子、导向销等零部件，实现阀门动作的控制和转换，如图5 所示。

图5 四通换向旋塞阀操作器结构Fig.5 Operator structure of four-way diverter valve

当执行器输出多回转运动时，带动操作器顶端的蜗轮蜗杆转动，蜗轮将多回转运动传递给操作器内的梯形螺纹传动机构。该操作器设计有2组梯形螺纹传动机构，旋向相反，用于控制阀门的提升或下压。

2 组梯形螺纹分布在上阀杆与中阀杆、中阀杆与下阀杆之间，阀杆上设置有滚子槽，通过滚子在不同滚子槽内的位置变化，来控制上、中阀杆一起动作或中、下阀杆一起动作，操作器壳体内设计有一半圆柱形长槽，与滚子外径相匹配，当滚子运动到该长槽里时，可限制滚子和与其相连的阀杆只能做轴向运动。同时，操作器壳体上装有一导向销，在中阀杆外侧设计有一“U”形槽，导向销伸入“U”形槽内，对操作器的提升、旋转和下压动作起到辅助限位的作用。

图6 示出了操作器在不同状态时导向销与“U”形槽的相对位置关系，与图7，8 中上、中、下阀杆之间的相对位置关系相对应，最外圈为带滚子槽的操作器壳体。转动上阀杆，从（a）位置到（d）位置，阀门完成一次换向动作。

图6 阀门关闭时操作器动作过程Fig.6 The action process of operator when the valve is closed

图7 上、中阀杆与滚子1、操作器壳体的相对位置关系Fig.7 Relative position between middle stem and roller 1 and the operator casing

图8 中、下阀杆与滚子2、操作器壳体之间的相对位置关系Fig.8 Relative position between middle， lower stem and roller 2 and operator casing

2.5 压力泄放装置

在实际使用场合中，由于温度、压力的变化，若阀门长期不动作，在阀门中部的密封腔内，可能会与管路产生一定的压力差，造成安全隐患，因此有必要为阀门设置中腔泄压装置。在该阀门中，设置有压力表用于检测中腔压力，当中腔压力异常时，可打开手动泄放阀门，使压力沿管路泄放到阀门出、入口侧或大气环境中，此处也可安装单向阀，则变为自动泄放机制，多种泄放方案可满足不同用户、不同使用工况的多种需求。该压力表也可以用来监测阀门泄漏情况，阀门在正常工作、无泄漏的情况下，其中腔压力不应发生变化，若监测到中腔压力存在波动，则阀门可能发生泄漏。

3 滑片压胶工艺研究

与常规旋塞阀不同，四通换向旋塞阀的滑片侧面设计有流道，用于连接相邻两个阀门出入口，并切断阀门中腔与阀门出入口的流体介质，因此滑片上的密封面包括了两段接近180°的圆弧，这一圆弧段为橡胶密封圈的成型、脱模带来了一定的难度。

常规旋塞阀压胶模具由上模和下模两部分组成，下模用于固定滑片，上模与滑片上的密封胶槽匹配，并决定了密封胶圈的型面。但对于四通换向旋塞阀来说，若仍采用上、下模具的方案进行密封胶圈成型，由于密封胶圈弧度太大，滑片较厚，脱模时会造成密封胶圈受力不均，胶圈型面无法保证，甚至发生局部胶圈撕裂等现象。

为此，作者设计了分体式密封胶圈成型模具，将上模分为两部分，有效避免了滑片密封面圆弧中部密封胶圈容易发生撕裂等现象，同时，为了保证起模顺利，在模具上布置有圆柱销孔，模具四周均布置有钢板，用于固定两块上模的相对位置，钢板上对应位置设置有腰形孔，起模时将圆柱销插入模具上的圆柱销孔内，通过钢板上的腰形孔对2 块模具的运动进行限位。起模时先拆开两侧面的固定钢板，将2 块上模向两侧分开，再上提模具，从而保证起模过程中模具不会下榻，造成胶圈型面高度偏差大，影响密封效果。现场压胶结果表明，采用该模具进行密封胶圈成型，可保证胶圈型面高度误差控制在合理范围内。

图9 胶圈成型模具示意Fig.9 Schematic diagram of extrusion die

4 流通能力试验

4.1 试验系统

为满足相关标准及用户使用需求，对四通旋塞阀产品进行了各项试验，包括液压壳体试验、气压密封试验、动作灵活性试验等［10］，各项指标均满足需求。除此之外，流通能力也是考核四通旋塞阀的重要性能指标。为此，按照GB/T 17213.9搭建了试验系统，用于四通旋塞阀流量系数的测定。试验系统如图10 所示，在四通旋塞阀入口前布置温度测量装置、流量测量装置，流量测量装置选用符合规定精度的装置，并在使用前进行校准。试验管路与图2 中阀门B，D 口相连，A，C 口之间用波纹软管相连，形成闭合的流道。

图2 四通换向旋塞阀工作状态Fig.2 Working state of four-way diverter valve

图10 试验系统Fig.10 Test system

4.2 流量特性试验

四通旋塞阀拥有2 种工作状态，四通旋塞阀的流量特性也应分别在两种工作状态下测定。阀门的流量系数是反应其流阻特性的重要参数，按照GB/T 17213.9［11］，其计算方法如下：

当N1取值为0.1 时，计算所得的流量系数C即为Kv。

为了保证试验测定数据的准确性，在试验时选取了不同的压差、流量点对四通旋塞阀的Kv值进行测定。为了获得阀门的压力损失即值Δp，首先读取上、下游取压口之间的压差Δp1，然后去掉试验系统中的阀门，用波纹管的两端口与试验系统上、下游接口相连，获得同样流量条件下除阀门外试验系统上、下游取压口的压差Δp2，两次获得的压差相减，则可以获得流体流经阀门的压力损失，即式（1）中的Δp 值。然后读取试验系统的流量值，则可以获得阀门的流量系数。

试验分别选取了流量从17.9～199.4 m3/h 的10个不同流量点进行了测定，获得的试验数据见表1。

表1 流量试验数据Tab.1 Measured data table of flow test

根据表1 可知，不同流量下阀门Kv值测定具有一定的偏差，但其偏差保持在可接受的范围内。由于本试验系统中采用了波纹管，且含有弯管段，均会造成较大的流动损失，当试验系统流量较小时，流体流经阀门和管路的边界层损失所占比重增加，测得Δp 的值偏大，导致试验获得的阀门流阻系数偏小，这与本次试验数据相符合。对试验结果取平均值，可得四通旋塞阀的Kv约值为334.8，满足用户使用需求。

5 结语

本次研制的四通换向旋塞阀满足了密封性、耐火性、换向动作要求、流通特性等多方面要求。通过产品的试制，也充分验证了四通换向旋塞阀工艺上的可实现性。充分掌握了该阀门在启闭动作、流量特性、密封性能及压胶工艺等方面的技术难点。经过密封试验、流量试验等试验验证，表明研制的四通换向旋塞阀产品性能符合相关标准和规范要求，满足客户需求，达到国际同类阀门产品的水平。该产品现已交付用于原油计量橇装系统，直接替代进口同类阀门，拥有广阔的市场前景。