管道工業(yè)與管線球閥

管道工業(yè)與管線球閥

管線球閥是固定球球閥的一種，是球閥一個(gè)最重要的發(fā)展。過去常常將“管線球閥” 一詞與“固定球球閥” 一詞相混用，將“管線球閥”不恰當(dāng)?shù)胤Q之為 “固定球球閥”。其實(shí)，管線球閥的全稱，應(yīng)該是長距離輸送系統(tǒng)管線球閥（long distance pipeline trans¬portation system pipeline ball valve），簡稱管線球閥。

這是從產(chǎn)品的服務(wù)對象而言。而“固定球球閥” 一詞是指這種閥門的結(jié)構(gòu)，球體被支持在轉(zhuǎn)軸中心。另外，也不適宜將管線（pipeline） —詞譯為管道 （pipe）,而稱之為管道球閥。產(chǎn)品的國際標(biāo)準(zhǔn)名稱是 ISO14313-2007《石油和天然氣工業(yè)一管線輸送系

統(tǒng)一管線閥門》，這一名稱就是最好的解讀。管線閥門有球閥、閘閥、旋塞閥、止回閥，是滿足長距離管線輸送的特殊要求，具備特殊功能的專用閥門，對于球閥，則稱之為管線球閥。規(guī)范該產(chǎn)品的美國石油學(xué)會(huì)最新標(biāo)準(zhǔn)是API 61>-2008第23版《管線閥門規(guī)范》與ISO14313等同。

3.4.1管道工業(yè)與管線球閥

1914年，第一條9 km長的輸油管線在美國中部建成，從此拉開管道的工業(yè)發(fā)展的序幕。用管道來輸 送原油、天然氣，其成本是海上運(yùn)輸、油輪和液化天然氣船舶運(yùn)輸成本的2/3，是油罐列車陸上運(yùn)輸?shù)?nbsp;1/3。所以近百年來獲得飛躍的發(fā)展。根據(jù)《Pipe- line》雜志2000年統(tǒng)計(jì)，全世界已建成的管線260X 104km,其中輸油管線80X104km，輸氣管線140X104km,成品油管線40 X104km。并且每年以3X104km的速度增加，輸油輸氣管線是一條跨國能源供給線，是一條生命線。世界上最著名的管線如美國阿拉斯加輸油管線（圖3-19）從北部普拉德赫海灣至南 部瓦爾迪茲港全長1300km，管徑48in，穿北極圈，

凍土層，高山和峽谷。前蘇聯(lián)烏連戈依中央輸氣管線 （西伯利亞管線，圖3-20），全長3.5X104km，管徑56in，緊急切斷大口徑管線球閥1000余臺(tái)，穿越西伯利亞凍土層、森林、沼澤地。在東南亞從菲律賓至 馬來西亞、爪哇、蘇門答臘、新加坡至泰國全長 6276km的輸氣管線，其中1094km為海底管線。

管線球閥的最大口徑為60in，最高壓力等級(jí)為Class2500級(jí)（PN 420），在役的32in以上管線球閥約20萬臺(tái)以上，32in以下近250萬臺(tái)。

管線球閥在管道工業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用無疑是它的產(chǎn)品特征：全通徑、低流阻，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和自動(dòng)化。管道輸送近百年的發(fā)展已形成全球性跨國管網(wǎng)，這是人類賴以生存的能源供給系統(tǒng)，這一系統(tǒng)從北極圈至赤道，從高山至海底，從高原到沙漠，其間穿越地震帶、沼澤地、江河、湖泊、山坡。有架設(shè)的也有直埋地下的，在野外遠(yuǎn)距離遙控操作，維修困難，要求30年以上使用壽命。輸送的天然氣含硫、 焊渣、鐵銹等雜質(zhì)，出廠時(shí)要求氣泡級(jí)密封，這些苛刻的要求已成為全球性共識(shí)的采購規(guī)范。并提出如下特殊的功能要求。

①閥體的強(qiáng)度與韌性閥體是一個(gè)承壓部件， 其壓力邊界除了承壓內(nèi)部介質(zhì)的壓力之外，尚需承受外部載荷，如地面沉降、滑坡、洪水、地震等自然災(zāi)害引起的彎曲載荷；以及由于晝夜溫度變化，冬夏季節(jié)性溫度變化而引起的拉伸和壓縮載荷。在寒帶及冰凍地區(qū)應(yīng)考慮材料的低溫沖擊韌性，防止低溫脆裂。 對于全焊接閥體，在焊縫和熱影響區(qū)應(yīng)按斷裂力學(xué)理論進(jìn)行CTOD （裂紋尖端張開位移）斷裂韌性試驗(yàn)和焊后免熱處理的安全評(píng)估。

②氣泡級(jí)的密封要求產(chǎn)品出廠時(shí)應(yīng)達(dá)到氣泡級(jí)“零”泄漏，運(yùn)行中要求密封座具有阻止金屬顆粒進(jìn)入密封區(qū)域的效果，如金屬顆粒進(jìn)入軟密封，一旦出現(xiàn)泄漏，應(yīng)有緊急密封的措施。

③失火安全與防靜電功能閥門的設(shè)計(jì)需考慮失火安全，一旦失火，閥門的內(nèi)漏與外漏不能超過API6FA和API607規(guī)定的泄漏標(biāo)準(zhǔn)。球體被非金屬密封材料夾持，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生的靜電必須與閥體導(dǎo)通，在24VDC的電壓下，其電阻小于ion。

④雙截?cái)嗯c排放功能（double block and bleed）對于具有兩個(gè)密封閥座的閥門，兩個(gè)密封座之間的閥腔壓力排放時(shí)，兩個(gè)閥座應(yīng)同時(shí)截?cái)噙M(jìn)口和出口的介質(zhì)。

⑤雙隔離與排放（double isolation and bleed）對于具有兩個(gè)隔離型密封座的閥門，即具備雙活塞效應(yīng)功能的密封座，兩個(gè)隔離型閥座之間的閥腔壓力排放時(shí)，兩個(gè)閥座應(yīng)同時(shí)隔離進(jìn)口和出口介質(zhì)。

⑥防止閥腔壓力超壓無論閥門處于關(guān)閉狀態(tài)或開啟狀態(tài)，對于雙密封座的閥門，閥腔夾持一部分介質(zhì)，如果被夾持的介質(zhì)有可能由于溫度變化而壓力升高，閥門應(yīng)具備閥腔壓力超壓自動(dòng)泄壓的功能。閥腔壓力泄放的最大值不超過閥門壓力額定值的 1. 33 倍。

⑦可清管能力（pig ability）允許清管器無阻礙通過的能力。

⑧閥桿保持閥桿應(yīng)設(shè)計(jì)在任何內(nèi)壓條件下， 填料壓蓋卸去或操作裝置卸去的情況下，保證閥桿不被吹出和閥體壓力邊界的完整。

⑨驅(qū)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)軸的轉(zhuǎn)矩，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)鏈的計(jì)算中，應(yīng)該以最大開啟轉(zhuǎn)矩的兩倍來計(jì)算。驅(qū)動(dòng)鏈的最薄弱零件或零件截面應(yīng)在壓力邊界之外。

⑩位置限定與指示閥門或操作機(jī)構(gòu)應(yīng)提供行程限定機(jī)構(gòu)，在開啟或關(guān)閉位置限定閥門的位置。并提供位置指示器，指示閥門所處的狀態(tài)，開啟位置或者關(guān)閉位置。

?硫化工況如果買方規(guī)定用于硫化工況，則 承壓零件及螺栓連接材料應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO15156《石油和天然氣工業(yè)一油和氣生產(chǎn)中用含H2S環(huán)境中材料》的全部要求。

緊急切斷（ESD）對于用于緊急切斷閥的場合，采用氣液聯(lián)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)閥門，以天然氣作為動(dòng)力，液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，來驅(qū)動(dòng)管線閥門的啟閉并有手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，破管自動(dòng)保護(hù)，遠(yuǎn)程電控開關(guān)，ESD緊急關(guān)斷的功能。

地下水的電位腐蝕與應(yīng)力腐蝕采用全焊接閥體結(jié)構(gòu)，管道陰極保護(hù)以及外部防腐來防止電位腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

管線球閥經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，形成兩大閥體結(jié)構(gòu)形式。一種是全焊接球狀閥體結(jié)構(gòu)，以美國Ca-meron公司為代表，其他有德國的Bosig公司、 Shuck公司，日本TIX公司、Tubota公司，以及俄羅斯Tyazhpromarmatuva公司等。另一種是筒狀閥體結(jié)構(gòu)，有全焊接的，也有分體式的，以意大利Grove公司為代表，其他有意大利閥門公司、Perar公司、 NuovoPignone公司、PCC公司、B.F.E公司和捷克的MSA公司等。

（1）美國公司全焊接球狀管線球閥在20世紀(jì)50年代，美國Cameron公司，推出一種球狀結(jié)構(gòu)，全焊接鍛鋼閥體的管線球閥（圖3-21）， 其結(jié)構(gòu)特征如下。

①閥體是全焊接，球狀，由四塊鍛件拼接組成， 焊接是在產(chǎn)品組裝完成后進(jìn)行，焊接工藝是最后一道工序，這樣形成一個(gè)封閉的產(chǎn)品，不可再分解、拆卸。 這種以焊接作為產(chǎn)品最后一道工序的，稱為“焊接產(chǎn)品”。這樣，內(nèi)件如球體、密封座、密封環(huán)、軸承無須更換，因此，這種結(jié)構(gòu)上的合理性及其帶來的客戶效益，是在服役生命期內(nèi)的可靠密封（sealed for life）。

另外，整體閥體提供了足夠的強(qiáng)度和剛性，產(chǎn)品經(jīng)彎曲試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)驗(yàn)證了閥體的強(qiáng)度和剛性。

②可轉(zhuǎn)動(dòng)閥座，閥座外緣加工成棘輪，球體表 面上固定著一個(gè)撥動(dòng)機(jī)構(gòu)，球閥每開或關(guān)一次，棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。設(shè)計(jì)者的思路是考察球體對閥座之間相對運(yùn)動(dòng)，作用在閥座密封環(huán)帶上，磨損的不均勻性，憑借閥座的轉(zhuǎn)動(dòng)來獲得密封環(huán)磨損的均勻。但實(shí) 踐結(jié)果恰恰和這一預(yù)期效果相反，閥座的轉(zhuǎn)動(dòng)加速了閥座的泄漏。因?yàn)楣艿乐猩傲３霈F(xiàn)在管線的底部，劃痕從密封環(huán)底部位置上發(fā)生，閥座的轉(zhuǎn)動(dòng)增加了泄漏 點(diǎn)，這一原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在已不被人們所認(rèn)可。

③固定球結(jié)構(gòu)，球體上有兩個(gè)軸孔，插入兩個(gè)過盈配合的支承軸，形成一個(gè)組合球體，上支承軸作為驅(qū)動(dòng)軸，與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用花鍵連接。軸承采用低摩擦系數(shù)的PTFE塑料軸承，無須潤滑，操作輕便。

④旋轉(zhuǎn)閥座上的密封環(huán)材料為尼龍或PTFE， 并被牢固地鎖定在金屬座圈內(nèi)。閥座與閥體之間的密封采用唇式密封結(jié)構(gòu)，用PTFE制成。背面有平板彈簧推動(dòng)，提供密封座的初始密封。當(dāng)密封座上軟密封失效時(shí)，有一個(gè)密封脂緊急注入通道，密封脂通過一 個(gè)注油嘴和單向閥通向球體表面，提供一個(gè)臨時(shí)緊急密封。這一組合密封座結(jié)構(gòu)滿足DBB的功能要求以及低的密封壓力，避免產(chǎn)生高的操作轉(zhuǎn)矩，密封座的設(shè)計(jì)成為前級(jí)密封，具有自泄放功能，腔體壓力異常升高時(shí)，出口端閥座自動(dòng)排放。

⑤閥桿上的密封環(huán)用PTFE制造，有上、下兩個(gè)軸封，如果需要，上軸封可以被更換。

⑥產(chǎn)品的火燒試驗(yàn)證明，塑料密封環(huán)被燒毀后密封座的金屬球面金屬相接觸，密封座與閥體間的PTFE唇式密封環(huán)燒毀后，碟形彈簧的兩個(gè)平面與閥體和閥座金屬面相接觸，其泄漏量的總和是有限的， 能夠達(dá)到液滴密封等級(jí)（drop~tight）的要求。

⑦對于直埋地下的管線，閥桿可以被延伸，接 至地面，排污管、取氣管、密封脂注入管亦接至地面。圖3-22是Cameron T-31型產(chǎn)品組裝圖，可以詳細(xì)看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

幾十年前Cameron公司這一全焊接球形鍛造闊體，固定球浮動(dòng)閥座，無螺栓連接的管線球閥問世， 提供了一個(gè)緊湊型、高強(qiáng)度、輕重量、無維護(hù)的集成型產(chǎn)品，在長輸管線中取代了傳統(tǒng)的管線閘閥，從此風(fēng)靡全球，而且時(shí)至今日，仍是管線工業(yè)中的主導(dǎo)產(chǎn)品，其壓力等級(jí)Classl50?2500，通徑NPS2?420

（2）德國公司全焊接球狀管線球閥

而后，德國Borsig公司發(fā)展類似的全焊接球狀鍛鋼閥體結(jié)構(gòu)的管線球閥（圖3-23），在結(jié)構(gòu)上變化可以歸納為：

①球形殼體的焊縫在中間位置，殼體由左、右兩個(gè)半球殼組成，軸頸部分的焊接與加工在左、右閥 體焊接之后，在工藝上有很大變化；

②驅(qū)動(dòng)軸直接與球體相焊接；

③密封座的主密封采用氟橡膠或PTFE塑料， 彈簧采用螺旋彈簧；

④軸端密封有兩種結(jié)構(gòu)，0形橡膠密封或PTFEU形密封圈加石墨防火填料（圖3-24）。

另外，在提供全焊接球狀閥體管線球閥的同時(shí)， 并提供上裝式管線球閥。密封結(jié)構(gòu)與全焊接球形閥體管線球閥相同，殼體采用鑄件，上裝式結(jié)構(gòu)主要用于場站，需要在線維修的場合。