引言

在稠油热采开发过程中，高温高压蒸汽注入和高温流体采出是核心工艺环节。截止阀作为管路系统中的关键启闭与控制元件，其性能直接关系到整个系统的安全性与可靠性。然而，工作在300℃以上、压力超过12MPa的苛刻环境中的传统截止阀，长期面临以下几大挑战：

阀杆卡阻：高温蒸汽中的杂质及溶解的矿物质在阀腔内部、阀芯与阀座密封面等流速较低区域沉积结垢，导致阀门动作不畅，甚至完全卡死。

密封副失效：阀芯与阀座因热变形、冲刷磨损或杂质颗粒压伤而导致关闭不严，造成内漏，能量损失严重。

填料函泄漏：传统填料在高温下易老化、收缩，导致阀杆处发生外泄漏。且暴露在外的压紧螺钉易锈蚀，给后期维护拆卸带来极大困难。

维护成本高：一旦阀门出现故障，通常需要系统停产、降温后再进行更换或维修，作业周期长，经济损失大。

为解决上述问题，本研究设计了一种新型结构的油田热采截止阀，通过多项创新设计，从根本上改善了阀门的性能与可维护性。

1 新型截止阀关键结构设计与创新

1.1 结构设计

新型截止阀的结构主要由1-阀体；2-阀芯；3-滚珠；4-阀杆；5-压盖；6-支架；7-阀杆螺母；8-堵头；9-撞击轮；10-手轮；11-螺母；12-螺钉；13-锁紧螺柱；14-填料压帽；15-上填料；16-下填料；17-密封垫环；18-螺钉等组成，其结构如图1所示。

1.2 基本参数

新型截止阀的基本参数如表1所示。

额定工作压力（MPa）	热工况下		通径（mm）	连接形式（mm）
	工作温度（℃）	工作压力（MPa）
16	350	16	DN65	焊接式

1.3 新型截止阀关键结构设计与创新

1.3.1 隐藏式填料顶丝与在线润滑结构

传统填料压盖的压紧螺栓通常暴露在外部环境中，在长期日晒雨淋及高温蒸汽作用下，螺纹极易锈蚀，导致维护时无法拆卸。

创新设计：本设计将填料压紧螺钉（顶丝）设计为隐藏式结构。顶丝位于压盖内部，端部不外露，有效避免了外部环境的直接侵蚀。同时，在压盖顶部增设了润滑油嘴，其结构如图2所示。

工作原理：维护人员可通过注油枪向油嘴注入高温润滑脂或阻垢剂。润滑油可沿专门设计的油道渗透至填料函底部，既能润滑阀杆，减少操作扭矩，又能使填料保持柔韧性，增强密封效果。当需要紧固填料时，使用内六角扳手通过顶部的操作孔对隐藏的顶丝进行操作。

优势：极大地提高了填料系统的抗腐蚀能力和可维护性，实现了预防性维护，确保了阀杆密封的长期可靠性。

1.3.2 阀芯旋流增速防淤堵结构

阀腔内部的介质流速降低是导致杂质沉积和结垢的根本原因。

创新设计：在阀芯密封面背面（即阀芯上部非密封区域），设计了特殊的螺旋导流槽或翼型结构，其结构如图3所示。

工作原理：当阀门处于开启状态，介质流经阀座口后，会进入阀芯背部的旋流结构。此结构迫使流体从直线运动变为高速旋转的涡流，显著提高了阀腔内部及阀芯周围的流体流速和湍流程度。

优势：高速旋流有效冲刷阀腔内部、阀杆及阀芯周围区域，使杂质和析出的水垢无法附着沉积，从根本上预防了因淤积造成的卡阻问题，延长了阀门在恶劣工况下的使用寿命。

1.3.3 阀瓣升降式倒密封结构

传统阀门在全开位置时，阀杆填料函仍需承受管道全部压力，一旦填料失效，必须停机处理。

创新设计：在阀瓣上部设计了一个辅助密封面（倒密封面），当阀门开启至全开位置时，该密封面与阀盖内部的一个配套密封座压紧，形成一道金属对金属的硬密封，其结构如图4所示。

工作原理：阀门开启过程中，阀瓣先脱离主阀座，继续提升至全开位时，倒密封面与阀盖上的倒密封座啮合，形成一道反向密封屏障。此屏障将管道系统压力与阀杆填料函区域完全隔离开。

优势：降低泄漏风险：在全开位时，即使填料函发生轻微泄漏，倒密封也能有效阻止介质继续泄漏。

实现在线维护：在阀门全开且倒密封生效的情况下，填料函区域与系统压力隔离，此时可在不停产、不影响系统运行的情况下，安全地更换或压紧填料密封，极大提升了设备的在线可靠性。

1.3.4 阀芯-阀杆滚珠连接结构

传统截止阀的阀芯与阀杆多为刚性连接或T形槽连接，阀门启闭过程中，阀芯与阀座密封面之间存在较大的旋转摩擦，导致密封面磨损严重。

创新设计：将阀芯与阀杆的连接方式改为滚珠连接结构。即在阀杆端部设计一个球腔，内置多颗高强度合金滚珠，与阀芯上的对应轨道配合。

工作原理：该结构使阀芯与阀杆之间实现“万向节”式的连接。当关闭阀门时，阀杆向下运动，推动阀芯与阀座接触。由于滚珠的存在，阀芯可以在阀座上进行微小的自适应旋转调整，确保密封面均匀贴合，避免单边磨损。同时，在接触后继续施加载荷，阀杆的下压力通过滚珠转化为对阀芯的纯轴向压力，几乎消除了关闭过程中的旋转摩擦。

1.4 三维建模、应力及流场分析

1.4.1 三维建模及定义

阀门设计全程采用Solidworks软件进行三维建模，可直观呈现阀门的所有细节；清晰展示流道的平滑度（避免局部湍流死角）、阀杆与填料函的间隙配合等；支持“剖切视图”“爆炸视图”，可快速检查内部腔体是否存在干涉、壁厚是否均匀（避免铸造/锻造时的应力集中）；作为流体控制核心部件，需满足密封性能、强度、耐温耐压、流阻特性等关键指标，而三维建模是后续仿真分析的“数据基础”——只有建立精准的三维模型，才能导入仿真软件ANSYS，开展针对性分析，实现“设计-验证-优化”的闭环。

结构强度与刚度分析：模拟阀门在额定压力、温度下阀体内腔的承压情况的应力分布。

利用Solidworks Simulation进行阀体有限元分析：

主体材料：ASTM A105，锻造成型

抗拉强度：485-655 MPa

屈服强度：≥250 MPa

伸长率（标距 50mm）：≥22%

硬度：布氏硬度（HB）≤187

设计/工作压力：16MPa；

设计/工作温度：-29～350℃

分析内容：分别模拟阀体和1.5倍工作压力下的强度试验压力下和在1倍工作压力附加350℃流体温度条件下的工作状态的阀体形变和应力分布，为优化结构设计提供依据。

1.4.2 流体动力学分析

通过三维流道模型，计算介质流速、压力损失、湍流程度，优化流道形状以降低流阻（提升流量系数），通过仿真提前发现性能缺陷（如流阻过大、局部应力集中），可在“图纸阶段”完成优化，无需等到物理样机试制后再修改，大幅缩短研发周期。

下面是利用ANSYS Discovery软件进行截止阀流场分析。

在软件界面输入一定的流体和设定压力流速的条件下，利用分析软件模拟显示阀门在不同开度状态下，流体在阀腔内部的流速分布情况。

设定模拟流体介质：水

设定流体压力：16MPa

设定出口流速：10m/s

图9中a是目前市面上常用的截止阀流体分析，100%开度状态下，阀瓣上部形成较低流速的甚至有大面积的停留状态，流体中夹杂水垢杂质的在低流速状态下容易产生沉积和结垢。b和c分别是拆解现场使用过的截止阀阀瓣和阀体内部的图片，可以清楚的看到，存在操作卡阻的阀门，内部表面都堆积这大量且坚硬的水垢，使用情况如图9所示。

通过优化设计，分析在阀瓣的定位环上增加导流槽和调整阀瓣与阀腔间隙后流体在阀腔内部的流动状态，通过分析云图反映的流体形成的湍流程度，淤积形态，优化阀内控压零部件和阀腔结构对阀门使用久了产生的卡阻的影响，不同开度下流体在阀腔内部的流动状态如图10所示。

通过软件的流场分析结合拆解现场使用过的截止阀进行对比，出现操作操作卡阻，开启力矩大的阀门，都有阀瓣与阀腔之间存在大量的水垢杂质堆积且使用时间较长后钙化成坚硬的斑块附着在阀腔内，造成操作卡阻甚至密封失效。优化设计后的阀瓣与阀腔结构，即便是阀门在微启开度下，阀瓣周边都能行程较流速的旋流并随下游压差带走，能有效避免这一现象，延长阀门使用寿命。

2 性能试验

2.1 试验内容

2.1.1 开关力矩试验

要求：在16 MPa的压差工况下，阀门的开启力矩应不大于170 N·m。

2.1.2 壳体强度试验

要求：将阀门两端封闭，闸板处于开启状态，向阀腔内充满试验介质并逐渐加压至24 MPa (1.5倍工作压力)。

合格标准：保压规定时间后，阀体各表面及固定连接处（如阀体与阀盖连接处）无可见渗漏、无结构变形或损伤。

2.1.3 密封性能试验

高压密封试验：将阀门关闭，向阀门一端引入试验介质，逐渐加压至17.6 MPa (1.1倍工作压力)，检查另一端（出口端）的泄漏情况。

要求：保压规定时间后，泄漏率应符合GB/T 13927标准中A级要求（无可见泄漏）。

说明：对于截止阀，通常需要进行双向密封试验，即分别从阀门的每一端加压，检查另一端的密封性能。

2.2 试验程序

2.2.1 壳体试验与上密封试验

用试压盲板封闭阀门两端，保持闸板处于全开状态；向阀腔内充满试验介质，逐步加压至17.6 MPa，进行上密封试验；在规定保压时间内检查上密封性能，确认无泄漏后，继续升压至24 MPa；在规定保压时间内检查壳体表面有无渗漏或残余变形。

2.2.2 密封试验

用试压盲堵封闭阀门两端，闸板处于部分开启状态；向阀腔内充满试验介质，逐步加压至规定试验压力后关闭阀瓣；保持一端试验压力，释放另一端压力，检查低压端泄漏情况；重复上述步骤，换向进行密封性能检验。

2.2.3 试验结果评定

壳体试验：保压期间壳体表面无可见液滴或湿润现象为合格；

密封试验：在持续保压时间内，泄漏率符合GB/T 13927标准第6.3条及表4中A级要求（无可见渗漏）为合格。

3 现场应用

该新型热采截止阀已在新疆油田稠油热采区块进行了为期一年的现场应用试验，安装于注汽井口及采出管道关键部位。

应用效果表明：

零卡阻报告：在所有试用阀门中，未发生一例因结垢或杂质堆积导致的启闭卡阻现象，证明了旋流增速结构的有效性。

密封性能优异：阀门口腔测温及超声波检测显示，阀门内漏率极低，密封性能远超API 598标准要求。滚珠连接结构对保护密封面效果显著。

维护便捷：成功在不停产情况下，对三台阀门的填料函进行了在线紧固和更换，避免了因停机造成的产量损失。

使用寿命延长：拆检使用一年的阀门，发现阀腔内部清洁，无大规模结垢，阀芯阀座磨损轻微，预计使用寿命可比传统阀门延长2-3倍。

4 结论

通过该产品室内及现场应用，得出如下结论：

优化后的高温热采截止阀采用隐藏式填料顶丝与在线润滑结构，阀芯阀盖之间设计了倒密封，提高了填料压紧系统抗腐蚀性能，实现了在线更换盘根的功能，为长期密封调控提供了必要的手段.

阀芯旋流槽结构的设计，使介质在该部位形成湍流，避免了砂粒淤积，避免阀芯阀杆卡阻，大大的提高了性能。

阀芯和阀杆连接采用滚珠结构设计，阀芯只随阀杆上下运动，避免了阀芯密封面和阀座密封面相对运动，减少了阀芯密封面的磨损，降低了内漏风险，延长了使用寿命。

参考文献：

1. [1] 张清双, 明赐东. 阀门设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2013.
2. [2] 孙晓霞. 高温高压阀门关键技术研究进展[J]. 流体机械, 2020, 48(05):50-55.
3. [3] 李明. 稠油热采井口装置常见问题及改进措施[J]. 石油矿场机械, 2019, 48(03):75-78.
4. [4] 刘延峰, 郑洋洋. 高温阀门材料选用与寿命预测研究[J]. 石油化工设备, 2021, 50(02):88-92.
5. [5] 江文升, 王磊. 基于CFD的截止阀流场分析与结构优化[J]. 阀门, 2022(04):15-19.
6. [6] 全国阀门标准化技术委员会(SAC/TC 188). 工业阀门压力试验:GB/T 13927-2022[S]. 北京: 中国标准出版社, 2022.