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    全焊接球閥的制造及檢驗技術(shù)概述

    2013-04-11 10:35:26徐維普
    化工裝備技術(shù) 2013年2期
    關(guān)鍵詞:閥桿閥座球閥

    王 棟 徐維普

    (替克斯閥門有限公司) (上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

    近年來,隨著能源結(jié)構(gòu)及能源區(qū)域重點的調(diào)整,我國石油、天然氣管線取得了飛速的發(fā)展。在以西氣東輸一線、二線為代表的管線工程建設(shè)中,其開關(guān)調(diào)節(jié)閥門很多都是采用國際上成熟應(yīng)用的全焊接球閥。由于國內(nèi)近幾年全焊接球閥的需求量很大,極大地推動了我國全焊接球閥技術(shù)的進(jìn)步,同時由于我國的管路系統(tǒng)對壓力、材料和環(huán)境的要求都比較高,因此也對全焊接球閥提出了更高的要求。目前長輸管線對球閥的要求是:受力均勻、密封可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強(qiáng)度高等。

    本文通過對全焊接球閥的制造過程及焊接過程的介紹,以期為行業(yè)發(fā)展提供參考。

    1 全焊接球閥的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

    本文介紹的全焊接球閥采用球形單一焊縫,施焊采用全自動焊接工藝。該球閥具有受力均勻、密封可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強(qiáng)度高等特點,是技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兼?zhèn)涞墓芫€球閥,廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外,并打破了國內(nèi)管線閥門以筒形制造為主的格局。

    1.1 球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計

    本文所述的全焊接球閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種球閥跟傳統(tǒng)的三段式球閥最大的區(qū)別就是封閉球體的方式采用焊接方式。因此在焊接過程中內(nèi)外襯都很重要。此外,球閥在管線上的安裝也是采用焊接連接的方式。

    閥座密封構(gòu)造一般為二重密封,即上游和下游二重密封。閥座嵌入圈具有優(yōu)良的耐腐性、耐磨性和良好的彈性,具有高度的密封性能。閥座的構(gòu)造如圖2所示。

    閥座二重密封構(gòu)造的原理如下所述。

    (1)上游側(cè)閥座的密封原理:因上游圧力,閥座受球擠壓形成密封,如圖3所示。閥座所受壓力F上為:

    圖1 全焊接球閥

    圖2 閥座的構(gòu)造

    圖3 上游密封原理

    式中p——管內(nèi)壓力;

    Fs——彈簧力。

    (2)下游側(cè)閥座的密封原理:閥座因閥體內(nèi)的壓力受球擠壓形成密封,如圖4所示。所受壓力F下為:

    式中p——管內(nèi)壓力;

    Fs——彈簧力。

    閥桿的密封采用抗旋轉(zhuǎn)性強(qiáng)的G-T(氟化橡膠和聚四氟乙烯)密封圈,進(jìn)行上下二重密封。二重密封圈之間可以注入緊急密封脂,用以緊急修復(fù)。閥桿的密封結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    圖4 下游密封原理

    圖5 閥桿密封結(jié)構(gòu)

    1.2 球閥的使用和維護(hù)

    閥座一旦需要緊急修復(fù),可以通過圖6所示的方式對其進(jìn)行修復(fù),而不需要破壞焊接結(jié)構(gòu)。閥體內(nèi)部的零件 (球、閥座圈等)產(chǎn)生的靜電通過彈簧、墊圈向閥體放電。從操作性角度看,因有耳軸支撐,可以用較小的力進(jìn)行操作。耳軸部采用摩擦阻力小的聚四氟乙烯軸承。閥座為浮動閥座,閥座受球擠壓的力相對于流體壓力來說,數(shù)值較小。

    圖6 閥座緊急修復(fù)示意圖

    維護(hù)管理方面,球閥一般不需做維護(hù)和保養(yǎng)。萬一密封部位發(fā)生泄漏,可注入密封脂進(jìn)行緊急修復(fù)。閥座和閥桿密封的緊急修復(fù),使用IKSS-3L密封脂。

    2 全焊接球閥的制造

    2.1 球閥主要構(gòu)件的材料

    (1) 閥體主要使用鍛件;

    (2) 球體主要使用表面處理后的鍛件;

    (3) 閥座圈使用18 Cr-8 Ni不銹鋼鍛件;

    (4) 閥桿需要進(jìn)行表面處理;

    (5) 密封材料主要有丁腈橡膠和環(huán)氧氯丙烷橡膠。

    2.2 焊接材料及焊接工藝

    球閥的焊接過程全部使用全自動焊接。

    (1) 閥體焊接

    GTAW (鎢極氣體保護(hù)焊)+SAW (埋弧焊)

    (2) 閥桿焊接

    GTAW (鎢極氣體保護(hù)焊)+GMAW (熔化極氣體保護(hù)焊)

    (3) 接管焊接

    GTAW (鎢極氣體保護(hù)焊)+SAW (埋弧焊)

    3 全焊接球閥的檢測

    由于全焊接球閥的安裝是直接焊接在管線上的,因此其需要進(jìn)行的檢測項目也與普通球閥有很大的區(qū)別。比較特殊的檢測要求有如下幾個方面。

    3.1 彎曲試驗

    球閥的彎曲試驗?zāi)M管線在不同的沉降區(qū)域發(fā)生了管線撓曲,試驗過程如圖7所示。

    圖7 彎曲試驗過程

    試驗方法:(1)連接閥門,施加4200 kN·m的彎矩,測量閥門和管道的應(yīng)力。(2)在空氣介質(zhì)公稱工作壓力下測試閥門的密封性能。(3)測量閥門的開啟和關(guān)閉扭矩。

    試驗合格判定依據(jù):(1)閥門各部位的應(yīng)力在屈服強(qiáng)度以下。(2)無外部泄漏、閥座泄漏。(3)操作扭矩?zé)o異常。

    3.2 閥門拉伸和壓縮試驗

    閥門拉伸和壓縮試驗過程如圖8所示。

    圖8 閥門拉伸和壓縮試驗過程

    試驗方法:(1)連接閥門的配管加載19900 kN的拉力和壓縮力。(2)施加 0.4~0.7 MPa的氣壓,進(jìn)行外部泄漏、閥座泄漏、扭矩測量試驗。(3)測量閥門及袖管的應(yīng)力。

    試驗合格判定依據(jù):(1)閥門各部位的應(yīng)力在屈服強(qiáng)度以下。(2)無外部泄漏、閥座泄漏。(3)操作扭矩?zé)o異常。

    3.3 沖刷試驗

    沖刷試驗是模擬油氣運(yùn)輸過程的一個測試。試驗過程如圖9所示。

    圖9 沖刷試驗現(xiàn)場

    試驗方法:(1)在沖刷試驗裝置的配管中注入公稱工作壓力的氮氣。(2)打開閥門,讓流體通過沖刷閥座。(3)檢查閥座有無異常。

    試驗合格判定依據(jù):(1)閥座未發(fā)現(xiàn)異常。(2)閥座的密封性能無異常。

    3.4 反復(fù)加壓操作試驗

    反復(fù)加壓操作試驗主要模擬實際操作過程中閥門的運(yùn)作狀況及耐用性。

    試驗方法:(1)先將閥門關(guān)閉,對閥座施加公稱工作壓力的氣壓,然后將閥門全開。如此反復(fù)操作,重復(fù)200次。(2)在0.4~0.7 MPa及公稱工作壓力的氣壓下檢查閥座有無泄漏。

    試驗合格判定依據(jù):(1)閥座未發(fā)現(xiàn)泄漏。(2)閥門的閥座無異常。

    3.5 低溫反復(fù)操作試驗

    低溫反復(fù)操作試驗?zāi)M我國西北和東北地區(qū)在冬天的極寒情況下閥門的操作狀況。

    試驗方法:(1)將球閥冷卻至-45℃,重復(fù)開關(guān)200次。(2)重復(fù)開關(guān)后,在0.4~0.7 MPa及公稱工作壓力氣壓下檢查閥座有無泄漏。

    試驗合格判定依據(jù): (1)閥座未發(fā)現(xiàn)泄漏。(2)閥門的閥座無異常。

    3.6 異物咬合試驗

    異物咬合試驗?zāi)M油氣運(yùn)輸過程中內(nèi)部有雜物的情況,要求在雜物進(jìn)入球閥內(nèi)的情況下,球閥仍能正常動作。

    試驗方法:(1)將不同目數(shù)的沙子、鐵銹、氧化皮各100 mL放在閥座和球的接觸處。(2)進(jìn)行250次開關(guān)。(3)每開關(guān)50次,在0.6 MPa及7 MPa氣壓下檢查閥座有無泄漏。(4)在閥座部位注入密封脂,進(jìn)行緊急修復(fù)試驗。

    試驗合格判定依據(jù):(1)開關(guān)150次,閥座無泄漏。(2)開關(guān)200次,小于180 mL/min的泄漏。(3)開關(guān)250次,小于625 mL/min的泄漏。(4)在閥座部位注入密封脂后閥座無泄漏。(5)操作扭矩?zé)o變動,操作情況良好。

    3.7 吹垢試驗

    試驗方法:(1)將閥門關(guān)閉,在閥座前方放置1 L的異物,在放置異物側(cè)施加7 MPa的氣壓,閥門開放 16%,把異物吹入閥座。 (2)在 0.6 MPa及7 MPa的氣壓下,進(jìn)行閥座泄漏試驗。

    試驗合格判定依據(jù):閥座無泄漏,操作扭矩?zé)o異常。

    3.8 抗震試驗

    模擬地震,在振動試驗臺上,使用不同的載荷和不同的振幅、振動頻率,對球閥進(jìn)行抗震試驗測試。

    試驗方法: (1)對加長桿加載,相當(dāng)于地基滑坡時產(chǎn)生的土壓彎曲載荷。(2)測量閥門及加長桿部位的應(yīng)力。 (3)在圧力 11.3 MPa下進(jìn)行密封試驗。(4)進(jìn)行操作扭矩試驗。

    試驗合格判定依據(jù):(1)各部位的應(yīng)力在屈服強(qiáng)度以下。(2)閥門無泄漏,無異常。(3)操作扭矩?zé)o異常。

    4 結(jié)論

    球形構(gòu)造的全焊接球閥具有受力均勻、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和強(qiáng)度高等優(yōu)點。采用雙活塞效應(yīng)的閥座結(jié)構(gòu)和特制的密封橡膠材料,能夠有效地增強(qiáng)密封的可靠性,確保球閥長達(dá)30年的使用壽命。通過閥門的一系列測試,可以保證閥門在特殊工況下的使用要求。

    [1] 黃明亞,王曉均,宋忠榮,等.長輸管線球閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究 [J].閥門,2003(2):22-24.

    [2] 朱熹平.天然氣管道球閥的維護(hù)及故障排除技術(shù) [J].天然氣工業(yè),2005,25(7):102-104.

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