管道工業(yè)與管線(xiàn)球閥

管線(xiàn)球閥是固定球球閥的一種，是球閥一個(gè)zui重要的發(fā)展。過(guò)去常常將“管線(xiàn)球閥” 一詞與“固定球球閥” 一詞相混用，將“管線(xiàn)球閥”不恰當地稱(chēng)之為 “固定球球閥”。其實(shí)，管線(xiàn)球閥的全稱(chēng)，應該是長(cháng)距離輸送系統管線(xiàn)球閥（long distance pipeline trans¬portation system pipeline ball valve），簡(jiǎn)稱(chēng)管線(xiàn)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(mén)的結構，球體被支持在轉軸中心。另外，也不適宜將管線(xiàn)（pipeline） —詞譯為管道 （pipe）,而稱(chēng)之為管道球閥。產(chǎn)品的標準名稱(chēng)是 ISO14313-2007《石油和天然氣工業(yè)一管線(xiàn)輸送系

統一管線(xiàn)閥門(mén)》，這一名稱(chēng)就是的解讀。管線(xiàn)閥門(mén)有球閥、閘閥、旋塞閥、止回閥，是滿(mǎn)足長(cháng)距離管線(xiàn)輸送的特殊要求，具備特殊功能的閥門(mén)，對于球閥，則稱(chēng)之為管線(xiàn)球閥。規范該產(chǎn)品的美國石油學(xué)會(huì )標準是API 61>-2008第23版《管線(xiàn)閥門(mén)規范》與ISO14313等同。

3.4.1管道工業(yè)與管線(xiàn)球閥

1914年，*條9 km長(cháng)的輸油管線(xiàn)在美國中部建成，從此拉開(kāi)管道的工業(yè)發(fā)展的序幕。用管道來(lái)輸 送原油、天然氣，其成本是海上運輸、油輪和液化天然氣船舶運輸成本的2/3，是油罐列車(chē)陸上運輸的 1/3。所以近百年來(lái)獲得飛躍的發(fā)展。根據《Pipe- line》雜志2000年統計，*已建成的管線(xiàn)260X 104km,其中輸油管線(xiàn)80X104km，輸氣管線(xiàn)140X104km,成品油管線(xiàn)40 X104km。并且每年以3X104km的速度增加，輸油輸氣管線(xiàn)是一條跨國能源供給線(xiàn)，是一條生命線(xiàn)。世界上zui的管線(xiàn)如美國阿拉斯加輸油管線(xiàn)（圖3-19）從北部普拉德赫海灣至南 部瓦爾迪茲港全長(cháng)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(xiàn) （西伯利亞管線(xiàn)，圖3-20），全長(cháng)3.5X104km，管徑56in，緊急切斷大口徑管線(xiàn)球閥1000余臺，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(lái)西亞、爪哇、蘇門(mén)答臘、新加坡至泰國全長(cháng) 6276km的輸氣管線(xiàn)，其中1094km為海底管線(xiàn)。

管線(xiàn)球閥的zui大口徑為60in，zui高壓力等級為Class2500級（PN 420），在役的32in以上管線(xiàn)球閥約20萬(wàn)臺以上，32in以下近250萬(wàn)臺。

管線(xiàn)球閥在管道工業(yè)中獲得廣泛的應用無(wú)疑是它的產(chǎn)品特征：全通徑、低流阻，便于實(shí)現遠距離控制和自動(dòng)化。管道輸送近百年的發(fā)展已形成性跨國管網(wǎng)，這是人類(lèi)賴(lài)以生存的能源供給系統，這一系統從北極圈至赤道，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。有架設的也有直埋地下的，在野外遠距離遙控操作，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(chǎng)時(shí)要求氣泡級密封，這些苛刻的要求已成為性共識的采購規范。并提出如下特殊的功能要求。

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

②氣泡級的密封要求產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)應達到氣泡級“零”泄漏，運行中要求密封座具有阻止金屬顆粒進(jìn)入密封區域的效果，如金屬顆粒進(jìn)入軟密封，一旦出現泄漏，應有緊急密封的措施。

③失火安全與防靜電功能閥門(mén)的設計需考慮失火安全，一旦失火，閥門(mén)的內漏與外漏不能超過(guò)API6FA和API607規定的泄漏標準。球體被非金屬密封材料夾持，轉動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生的靜電必須與閥體導通，在24VDC的電壓下，其電阻小于ion。

④雙截斷與排放功能（double block and bleed）對于具有兩個(gè)密封閥座的閥門(mén)，兩個(gè)密封座之間的閥腔壓力排放時(shí)，兩個(gè)閥座應同時(shí)截斷進(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(mén)，即具備雙活塞效應功能的密封座，兩個(gè)隔離型閥座之間的閥腔壓力排放時(shí)，兩個(gè)閥座應同時(shí)隔離進(jìn)口和出口介質(zhì)。

⑥防止閥腔壓力超壓無(wú)論閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)或開(kāi)啟狀態(tài)，對于雙密封座的閥門(mén)，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(mén)應具備閥腔壓力超壓自動(dòng)泄壓的功能。閥腔壓力泄放的zui大值不超過(guò)閥門(mén)壓力額定值的 1. 33 倍。

⑦可清管能力（pig ability）允許清管器*通過(guò)的能力。

⑧閥桿保持閥桿應設計在任何內壓條件下， 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驅動(dòng)鏈的設計設計軸的轉矩，在整個(gè)驅動(dòng)鏈的計算中，應該以zui大開(kāi)啟轉矩的兩倍來(lái)計算。驅動(dòng)鏈的zui薄弱零件或零件截面應在壓力邊界之外。

⑩位置限定與指示閥門(mén)或操作機構應提供行程限定機構，在開(kāi)啟或關(guān)閉位置限定閥門(mén)的位置。并提供位置指示器，指示閥門(mén)所處的狀態(tài)，開(kāi)啟位置或者關(guān)閉位置。

?硫化工況如果買(mǎi)方規定用于硫化工況，則 承壓零件及螺栓連接材料應滿(mǎn)足標準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(chǎng)合，采用氣液聯(lián)動(dòng)操作機構來(lái)驅動(dòng)閥門(mén)，以天然氣作為動(dòng)力，液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，來(lái)驅動(dòng)管線(xiàn)閥門(mén)的啟閉并有手動(dòng)操作機構，破管自動(dòng)保護，遠程電控開(kāi)關(guān)，ESD緊急關(guān)斷的功能。

?地下水的電位腐蝕與應力腐蝕采用全焊接閥體結構，管道陰極保護以及外部防腐來(lái)防止電位腐蝕和應力腐蝕。

管線(xiàn)球閥經(jīng)歷半個(gè)多世紀的發(fā)展，形成兩大閥體結構形式。一種是全焊接球狀閥體結構，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構，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(mén)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(xiàn)球閥在20世紀50年代，美國Cameron公司，推出一種球狀結構，全焊接鍛鋼閥體的管線(xiàn)球閥（圖3-21）， 其結構特征如下。

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zui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zui后一道工序的，稱(chēng)為“焊接產(chǎn)品”。這樣，內件如球體、密封座、密封環(huán)、軸承無(wú)須更換，因此，這種結構上的合理性及其帶來(lái)的客戶(hù)效益，是在服役生命期內的可靠密封（sealed for life）。

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

②可轉動(dòng)閥座，閥座外緣加工成棘輪，球體表 面上固定著(zhù)一個(gè)撥動(dòng)機構，球閥每開(kāi)或關(guān)一次，棘輪轉動(dòng)一個(gè)角度。設計者的思路是考察球體對閥座之間相對運動(dòng)，作用在閥座密封環(huán)帶上，磨損的不均勻性，憑借閥座的轉動(dòng)來(lái)獲得密封環(huán)磨損的均勻。但實(shí) 踐結果恰恰和這一預期效果相反，閥座的轉動(dòng)加速了閥座的泄漏。因為管道中砂粒出現在管線(xiàn)的底部，劃痕從密封環(huán)底部位置上發(fā)生，閥座的轉動(dòng)增加了泄漏 點(diǎn)，這一原始結構設計，現在已不被人們所認可。

③固定球結構，球體上有兩個(gè)軸孔，插入兩個(gè)過(guò)盈配合的支承軸，形成一個(gè)組合球體，上支承軸作為驅動(dòng)軸，與傳動(dòng)機構采用花鍵連接。軸承采用低摩擦系數的PTFE塑料軸承，無(wú)須潤滑，操作輕便。

④旋轉閥座上的密封環(huán)材料為尼龍或PTFE， 并被牢固地鎖定在金屬座圈內。閥座與閥體之間的密封采用唇式密封結構，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(guò)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。這一組合密封座結構滿(mǎn)足DBB的功能要求以及低的密封壓力，避免產(chǎn)生高的操作轉矩，密封座的設計成為前級密封，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， 能夠達到液滴密封等級（drop~tight）的要求。

⑦對于直埋地下的管線(xiàn)，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，可以詳細看到其內部結構。

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(wú)螺栓連接的管線(xiàn)球閥問(wèn)世， 提供了一個(gè)緊湊型、高強度、輕重量、無(wú)維護的集成型產(chǎn)品，在長(cháng)輸管線(xiàn)中取代了傳統的管線(xiàn)閘閥，從此風(fēng)靡，而且時(shí)至今日，仍是管線(xiàn)工業(yè)中的主導產(chǎn)品，其壓力等級Classl50?2500，通徑NPS2?420

（2）德國公司全焊接球狀管線(xiàn)球閥

而后，德國B(niǎo)orsig公司發(fā)展類(lèi)似的全焊接球狀鍛鋼閥體結構的管線(xiàn)球閥（圖3-23），在結構上變化可以歸納為：

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軸端密封有兩種結構，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(xiàn)球閥的同時(shí)， 并提供上裝式管線(xiàn)球閥。密封結構與全焊接球形閥體管線(xiàn)球閥相同，殼體采用鑄件，上裝式結構主要用于場(chǎng)站，需要在線(xiàn)維修的場(chǎng)合。    

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