管线阀门的发展

管线阀门的发展上海耐莱斯·詹姆斯伯雷阀门有限公司总工程师高级工程师邬佑靖摘要：本文从管线工业发展需要，全面论述管线球阀的设计、制造、试验、标准与服务，数值仿真技术在设计制造中的应用以及国内外发展前景。Abstract0AccordingtothedevelopmentofPipelineindustry,thedesigns(alsoinvolvingnumericalsimulatingtechnique),manufactures,testings,standardsandservicesareallpresentedforthepipelineballvalves,thegreatprospectofthepipelineballvalveindustryinChinaisalsoreportedhere.关键词：管线球阀球阀一、前言1914年，第一条9公里长的输油管线在美国中部建成，从此拉开管道工业发展的序幕。用管线来输送液体或气体，其成本是铁路运输的1/3，海上运输的2/3，所以近一百年来获得了迅速的发展。长距离输送管道称之谓长输管线，长输管线上使用的阀门称之谓管线阀门，有球阀、闸阀、止回阀、旋塞阀，是一种满足管道运输的特殊要求，具备特殊功能的专用阀门。对于球阀则称之谓管线球阀。规范管线球阀的技术标准是美国石油协会颁发的API规范6D《石油天然气工业－管道输送－管线阀门》，最新版本2000年1月颁布的第22版，以及1999年颁发的国际标准ISO14313-1999。实际上管道工业的迅速发展是二十世纪五十年代的事，根据《Pipeline》杂志2000年统计，全世界已建成管线260万公里，其中输油管线80万公里，输气管线140万公里，其他石油化工产品输送管线40万公里。输油输气管线是一条能源供应线，是一条生命线，已遍布全球，并且每年仍以3万公里的速度递增。管线阀门的最高压力级PN42.0Mpa（Class2500），阀门最大通径60英寸（DN1500）。世界上著名的长输管线如美国阿拉斯加到大西洋东海岸长岛的原油输送管线，穿过北极圈冻土层和美国五大湖的沼泽地；俄罗斯横贯西伯利亚的输油管线；地中海地区从阿尔及利亚经摩洛哥至西班牙的输气管线，全长2000公里，穿过沙漠，阿特拉斯山脉和直布罗陀海峡；在东南亚从菲律宾经马来西亚、爪哇、苏门答腊，至泰国全长6276公里输气管线，其中1094公里海底输气管线，等等。球阀的结构可追溯到1904年，已有人申请了结构专利，但一直未获得商品化，它的发展也是20世纪50年代的事，这是由于1943年美国杜邦公司聚四氟乙烯塑料的发明，这种材料具有一定的弹性，自润滑性，优良的耐腐蚀性，十分适宜于作为阀门的密封材料。以及车球机、磨球机的进步。由于这种阀门是全通径、低流阻，十分适宜作为长输管线用阀，所以管线球阀已逐步取代管线闸阀、旋塞阀，是一种近50年来发展最快的一个阀门新品种。二、管线输送对管线球阀的严格要求长输管线是全球性的，是一条能源供给线，从北极圈到赤道，从高山到海底，从高原到沙漠，其间穿过地震带、沼泽地、冻土层、江河、湖泊、山坡。有架设的，有直埋地下，在野外操作，维修困难，要求30年使用寿命。一般输送原油、天然气，虽经处理但含硫，含铁锈及金属颗粒，且要求零级密封，实际的使用环境恶劣和能源供给线的重要性，对管线球阀提出了严格的技术要求.1、强度和韧性阀门除了承受内部介质压力之外，尚需承受地基承载，由于环境温度变化而引起的轴向拉力和压力，考虑滑坡，地面沉降，洪水而引起的外部载荷，在寒带及冰冻地区尚需考虑材料低温冲击韧性，防止低温脆性断裂。对于全焊接阀体球阀，焊缝及热影响区，需要按照断裂力学理论，考虑其断裂韧性（CTOD）2、零级的密封要求阀门要求零级密封，以确保对下游端管线的有效截断，考虑介质中金属颗粒对零级密封的影响，金属对金属密封作为初级密封,PTFE/橡胶对金属作为次级密封,以及一旦密封失效时应采取紧急密封措施。3、具备失火安全和防静电功能；管线球阀设计需考虑失火安全（firesafe）,一旦失火，阀门的外漏和内漏不能超过API607规定的泄漏标准；球体被非金属材料夹持，可能产生静电，必须与阀体导通，在24VDC下，电阻值10欧姆。4、DBB功能（DoubleBrock&Bleed）在阀腔排泄时，上游端阀座和下游端阀座应同时自动切断，以确保排放时的安全。5、防止阀腔压力的夹持；无论阀门处于开启或关闭位置，均应防止介质在阀腔中被夹持，如果介质可能夹持，则对于气体介质或液体介质均要确保自动泄放阀腔内的压力，阀腔压力泄放的最大值不超过阀压力额定值的1.33倍，外部压力泄放阀的口径为DN15或更大。6、排泄阀腔的介质可以排泄；并通过此排泄孔对阀门进行在线密封检测。7、位置指示无论手动或动力驱动，要有明显的阀位指示表明阀门处于开启位置或关闭位置；8、传动链传动链的设计扭矩至少应为球阀最大扭矩的2倍。9、硫化工况承压部件及螺栓材料应具有抗应力裂化的能力，符合NACE,MR0175要求.10、紧急切断功能长距离管道输送系统采用卫星监控系统（SCADASystem），当管线压降速率或持续时间达到某一设定值，阀门应紧急切断；11、考虑地下水的电位腐蚀和应力腐蚀.采用全焊阀体结构，管道阴极接地和外表面防腐，来防止电位腐蚀和应力腐蚀。三、国外管线球阀的发展管线球阀经过半个世纪的发展，在结构设计上形成二大流派。一派以美国Cameron公司为代表，采用全焊接球状阀体结构。属于这一流派的有德国的BORSIG公司，Schuck公司，美国Larsen&Toubro公司，日本KITZ公司，TIX公司，TUBOTA公司，以及俄罗斯图拉的Tyazhpromarmatuva公司，如图（一）所示；另一流派以意大利Grove公司为代表，采用分体式筒状结构，尔后在此基础上发展成全焊接筒状阀体结构，如图（二）所示。属于这一流派的有意大利新比隆公司（NuovoPignone），PCC公司，PERAR公司，B.F.E公司，PIBIVIESSE公司，FCT公司，美国PBV公司，捷克的Czechoslovikia公司。（a）美国Cameron公司（b）日本TIX公司图（一）全焊接球形阀体管线球阀（a）美国PBV公司（b）B.F.E公司图（二）筒状阀体管线球阀美国Cameron公司产品的技术特征：全焊接球状阀体，尼龙或PTFE密封材料，可转动阀座，上下阀杆轴支承，进口端密封，出口端腔体压力自动向下游端泄放。如图（一）（a）所示。美国Cameron公司在五十年代就完成全焊接球形阀体结构，以其高的可靠性，经半个世纪全球性的商品化销售，仍保留原结构设计特征而成为著名品牌，广泛用于重要的长输管线中，如美国阿拉斯加原油输送管线。意大利Grove公司以双活塞效应，防爆橡胶O型圈或PTFE密封材料，支撑板支轴球结构，分体式阀体，便于维修，在市场上取得竞争地位，广泛用于长输管线的场站，增压站。尔后发展的圆筒状或准圆筒状全焊接阀体球阀在长输管线中亦用作紧急切断阀。在某些场合，客户需要在线维修，可选用上装式结构管线球阀，如图（三）所示。图（三）上装式结构管线球阀图（四）日本TIX球状全焊接阀门由于商业上的竞争，促进技术上也相互交融。Cameron公司的Dynaseal370系列产品即为分体式结构，与全焊接阀体产品配套销售；Grove公司也推出准球状的全焊接阀体结构在主管线中获得应用。而其他公司如TIX，TITZ则吸收二大流派的优点，根据各自制造工艺特点，推出球状全焊接阀体，双活塞效应，橡胶密封材料的管线球阀产品，综合了各流派的技术优势。如图（四）所示。四、设计理念管线球阀的设计理念最根本的是安全和可靠性。无论是长输管线或者是城市管网都是能源的供给线，是一条国家经济命脉线。全球性的地下输油、输气管线和管网，就象地上输配电网一样，是城市工业和民用赖以生存的基础，没有这条能源供给线，现代化城市功能立即停止。长输管线严酷的自然条件，从北极圈-70C°到赤道沙漠＋70C°的温度；经受地震、地基沉降，泥石流，滑坡，洪水等自然灾害；地下水的电位腐蚀，含硫介质的应力腐蚀等均是造成事故的诱发因素。城市管网爆炸已常见不鲜，自然灾害而造成的管线破坏也常有报道，如汉城城市天然气管网破裂引起大火，在国内如1984年铁秦管线，因连日暴雨，秦皇岛大石河水库开闸，冲断输油管线，3000吨原油流入大海；1996年马惠线，环江上游洪水暴发，冲断管线，1000吨原油泄漏。根据《Pipeline》杂志，Sealweld公司估计，一只36”管线球阀的价格约45，000～65，000美元，故障需排尽上游端和下游端管线的天然气损失约50，000～100，000美元。因此，管线球阀的设计和制造，对安全性和可靠性的强调，无论如何亦不为过分。而且这一理念应贯彻在产品设计，工艺规范，零件加工，型式试验，产品试验，质量控制，售后服务的全过程。五、设计1、阀体可分为全焊接阀体设计和分体式阀体设计。全焊接阀体设计有筒状结构和球状结构，筒状结构是双焊缝，焊接过程热量输入大，残余应力复杂，轴向和径向变形大。球状结构Cameron公司是四条焊缝拼接，现在由于工艺技术进步，采用左右阀体热锻压成型，可中间单焊缝焊接成型，减少线能量输入，降低轴向和径向变形。分体式结构一般由阀体和左右连接体组成。连接体与阀体由螺栓连接，连接法兰厚度与螺栓的连接强度应按与阀体内径相当的法兰进行类比设计，其连接强度必须防止管道应力而产生连接松弛，使密封失效。阀体与连接体面对面接触，中间无间隙。密封必须满足失火安全要求，采用橡胶“O”型圈与缠绕式金属垫组合密封。如图（五）所示。图（五）阀体与连接体防火结构阀体的材料为锻件，温度-29C°以上选用ASTMA105；-29C°以下选用ASTMA350LF2。对于焊接阀体，对A105或LF2材料的化学成分、含碳量、碳当量以及硫、磷等元素应另有特殊限制。锻件按三级锻件标准验收，做100％无损探伤，焊缝处做着色检查和超声波探伤。2、密封座与密封阀座采用组合密封结构，即金属对金属的初始“密封”，以阻挡固体颗粒的进入；用橡胶、PTFE塑料、尼龙、PEEK等软密封作为次级密封，以保证“零”级泄漏，如图（六）所示。但由于管线中的异物的意外导入对软密封材料的损坏，管线球阀均设有紧急密封剂的注入系统，以获得暂时性的密封要求。图（六）组合密封结构密封用的橡胶圈有圆形，三角形或其他特殊形状。每一公司都有自己的设计结构和工艺措施，防止橡胶圈在开关过程中被吹出（Blowout）或切坏。对于Class900磅级以上，应选用防爆降压(AED)特性的材料作为O型圈材料。PTFE的密封圈，一般采用筒状镶嵌式结构，亦可做成倒钩状组合式结构，旨在保证密封圈不被吹出而导致密封失效。密封座材料与阀体材料相同，化学镀镍，有弹簧加载以保证初始密封比压，弹簧可采用螺旋弹簧，板弹簧或碟形弹簧，材料为InconelX－750。进口端和出口端阀座采用对称双向密封设计。这种活塞式的介质自密封结构，按照客户需要可设计成“单活塞效应”（Singlepistonaction），压力自泄放密封座结构（图七）和“双活塞效应”（DoublePistoneffect）双重密封结构。（图八）图（七）压力自泄放密封座结构图（八）“双活塞效应”（DoublePistoneffect）双重密封结构单活塞效应即进口端密封，出口端腔体压力自动排放。双活塞效应即进口端、出口端同时密封，无论是气体介质或液体介质，腔体必须设有安全阀，以保证压力泄放。单活塞效应和双活塞效应设计的阀座，其腔体压力排放是有区别的。双活塞效应设计是腔体压力超过压力等级相应的压力值的1.33倍时排放，且排放至大气环境。而单活塞效应的设计则是只要腔体压力大于下游端管线压力就自动排放至下游管线。因此，一般公司把单活塞效应产品作为标准产品，双活塞效应产品作为选项产品。设置安全阀时，安全阀口径应≥1/2”，泄放压力≤1.33倍额定压力。阀座与连接体配合处应有失火安全设计，与阀座配合处连接体内表面应局部化学镀镍。3、球体