管线球阀的技术现状及发展方向

管线球阀的技术现状及发展方向摘要：论述了管线球阀的设计、制造、试验、标准和使用的状况，介绍了数字仿真技术在设计制造中的应用以及发展前景。不锈钢阀门网。1概述用管线输送液体或气体在近年来获得了迅速的发展。长输管线（长距离输送管道）上使用的阀门被称为管线阀门。管线阀门（球阀、闸阀、止回阀和旋塞阀等）是一种满足管道运输的特殊要求并具备特殊功能的专用阀门。对于管线球阀其技术标准是美国石油协会颁发的API6D和国际标准ISO14313-1999。这种球阀全通径、低流阻，作为长输管线用阀已得到快速的发展。2技术性能长输管线的实际工况环境恶劣，其安装从北极圈到赤道，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、湖泊和山坡，有的架设，有的直埋地下，在野外操作，维修困难，要求30年使用寿命。长输管线一般输送的介质为原油和天然气，虽经处理但介质含有硫化物、杂质及异物，且要求零级密封。因此，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。（2）零级密封阀门要求零级密封，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）失火安全和防静电管线球阀设计需考虑失火安全。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10Ω。（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，应有明显的阀位指示，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NACEMR0175要求。（10）紧急切断长距离管道输送系统采用卫星监控系统，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）防腐蚀采用全焊阀体结构，管道阴极接地和外表面防腐，防止地下水的电位腐蚀和应力腐蚀。3国外管线球阀的发展管线球阀经过半个世纪的发展，在结构设计上形成两大类型。一类以美国Cameron公司为代表的采用全焊接球状阀体结构（图1）。属于这一类的有德国的BORSIG公司和Schuck公司，美国的Larsen&Toubro公司，日本的KITZ公司、TIX公司和TUBOTA公司，以及俄罗斯的Tyazhpromarmatuva公司。另一类以意大利Grove公司为代表，采用分体式筒状结构和在此基础上发展的全焊接筒状阀体结构（图2）。属于这一类的有意大利的NuovoPignone公司、PCC公司、PERAR公司、B.F.E公司、PIBIVIESSE公司和FCT公司，美国的PBV公司，捷克的Czechoslovikia公司。不锈钢阀门网。图1全焊接球形阀体管线球阀图2筒状阀体管线球阀美国Cameron公司的产品阀体为全焊接球状，密封材料为尼龙或PTFE，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。该公司的全焊接球形阀体结构，以其高的可靠性，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公司生产的球阀以双活塞效应，防爆橡胶O形圈或PTFE密封材料，支撑板支轴球结构，分体式阀体，便于维修，广泛用于长输管线的场站和增压站。其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（图3）。图3上装式结构管线球阀由于商业上的竞争，促进技术上也相互交融。美国Cameron公司的Dynaseal370系列产品即为分体式结构，同时与全焊接阀体产品配套销售。意大利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，KITZ则吸收两大类型的优点，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（图4）。图4日本TIX球状全焊接阀门4结构设计管线球阀的设计理念最根本的是安全和可靠性。长输管线的自然条件要求管线球阀的设计和制造必须保证其安全性和可靠性。而且这一理念应贯彻在产品设计、零件加工、工艺规范、型式试验、产品试验、质量控制和售后服务的全过程。4.1阀体阀体设计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。筒状结构为双焊缝，焊接过程热量输入大，残余应力复杂，轴向和径向变形大。Cameron公司生产的球状结构是四条焊缝拼接。随着工艺技术进步，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形圈与缠绕式金属垫组合密封（图5）。图5阀体与连接体防火结构阀体材料为锻件，锻件按三级锻件标准验收，需要100%无损探伤。当使用温度为-29℃以上时，选用ASTMA105。当使用温度为-29℃以下时，选用ASTMA350LF2。对于焊接阀体，A105或LF2材料的化学成分、含碳量、碳当量、S和P等元素应另有特殊限制，焊缝处实施着色检查和超声波探伤。4.2密封结构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、尼龙、PEEK等软性材料作为次级密封，以保证“零”级泄漏（图6）。为防止管线中异物侵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6组合密封结构密封用橡胶圈有圆形、三角形或其他特殊形状。对于Class900磅级以上，应选用防爆降压（AED）特性的材料作为O形圈材料。PTFE的密封圈一般采用筒状镶嵌式结构，亦可制成倒钩状组合式结构，以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，可按照需要设计成“单活塞效应”压力自泄放密封座结构（图7）和“双活塞效应”双重密封结构（图8）。图7压力自泄放密封座结构图8“双活塞效应”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，一般将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≥½in.，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。4.3球体与支承轴管线球阀口径（DN≥2in.）大都采用支承球、浮动阀座结构。作用在球体上的介质力有两个滑动轴承支撑，对于高压、大口径，其滑动轴的比压必须进行计算，其许用比压不能超过供货商提供的滑动轴套许用比压。若采用不锈钢作基体，内衬PTFE塑料，这种轴承套承载比压可达200~400MPa，许用比压取100~200MPa，且摩擦系数低，可降低球阀的操作扭矩。不锈钢阀门网。支承轴的设计方案有2种，一种是在球上车削成上下轴颈，并用二个上下支撑板支承，中间内置由PTFE内衬的不锈钢轴套，支承轴长度L与轴颈d之比受结构限制，取L/d=0.4~0.8。另一种是球体车削成内孔，上下由二个支承轴支承在阀体上，这种设计一般取L/d=1.2~2。这二种结构，前者由于轴颈粗而短，所以球阀的阻力矩较大，而后者的上支承轴，同时又是传动扭矩的阀杆，所以是处于复合的受力状态。支承轴（阀杆）的材料可选用ANSI4140并需化学镀镍。阀杆与球体扭矩的传递可用单键、双键或花键连接，亦有直接连接装配后与球体焊接的结构。球体的加工精度，其圆度≤0.005mm。化学镀镍，镀层硬度高于阀座的镀层。对于大口径，高压力级阀门的球体，应作球体变形计算，这种变形足以引起密封失效。4.4阀杆与填料阀杆应采用安全设计，应防止在工作压力下被“吹出”，阀杆上防吹出的凸缘处置一环状件，以减小摩擦系数。填料可采用二级O形圈密封，亦可采用碗形用PTFE加工的填料，并有失火安全石墨填料和紧急状态下外部密封剂的注入系统。在阀杆与球体接合部以及阀杆与阀体接触处有防静电机构，防止静电在球体上积聚（图9）。在24VDC下测定，电阻值≤10Ω。图9阀杆与阀杆密封结构4.5DBB功能DBB功能设计是指无论是阀门处于开启或关闭状态，阀腔泄压排放时，上游端和下游端阀座应同时截止，并允许从排泄阀处对在线阀门进行阀座密封性能测试，而不影响管线运行。4.6紧急密封系统紧急密封系统由注射器和止回阀组成，分别安装在阀座和阀杆填料处外侧。紧急密封系统可以用来阻止或减少管线中阀门密封座的泄漏。密封剂注射前要进行清洁和冲洗，有专门生产的清洁剂和密封脂，用手动或电动的工具将清洗剂或密封脂从注射器口注入，并按供货商所提供的使用说明进行清洁和紧急密封操作（图10）。图10注射器与止回阀4.7驱动装置阀门驱动装置有手动、蜗杆传动、气动（双作用或弹簧复位）、高压气动（直接使用管线气体）、电动、液动（双作用或弹簧复位）以及气液联动。气液联动可实施本地和远程控制，与卫星遥控的SCADA系统相配合，当下游压力降的速率或持续时间超过设定值时（即管线爆裂），紧急切断阀自动截断，并带有救急性的蓄压器，供手动操作。4.8端部设计连接端有法兰连接端和焊接连接端。法兰连接端应带凸面或环形槽，其尺寸、公差、光洁度、以及打孔、法兰面、锪孔、倒角等按标准设计。DN600及其以下按ASMEB16.5，其中DN550按MSS-SP44。DN650以上按ASMEB16.47中A系列。焊接端应按ASMEB31.4或ASMEB31.8设计。4.9螺栓阀体连接螺栓用ASTMA193B7材料制造，并符合NACE-TM0284规定。客户可以要求作着色试验，按ASME第V篇进行。4.10安装对于直埋地下的阀门为全焊接阀体管线球阀，阀杆按客户要求接长，阀杆接长部分设计应牢固，能抗地面承载。阀体上的连接管、密封剂注入器、底部排泄阀、安全泄放装置均接至地表，接管与阀体焊接。应控制接长杆的挠曲和传动链结合部的间隙。防止开关过程中，球体不能准确地处于关或开的位置，造成传动失误。4.11规格与压力级按API6D及制造厂的装备能力，产品的供货范围为Class100~600磅级½~60in.（DN15~1500mm）、Class900磅级½~36in.（DN15~900mm）、Class1500磅级½~16in.（DN15~400mm）和Class2500磅级½~12in.（DN15~300mm）。在特殊场合，国外供货商可提供Class150~600磅级最大口径至72in.（DN1800mm）、Class900磅级最大口径至40in.（DN1016mm）、C