天然氣長輸管道全焊接球閥設(shè)計理念及維護保養(yǎng)

劉 博

(中國石化天然氣分公司)

利用長距離管線輸送油及天然氣等資源已成為當今世界能源輸送的最主要手段。其中天然氣高壓大口徑全焊接球閥在天然氣管道中具有舉足輕重的作用，其控制著管線中介質(zhì)的流向，調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量和壓力，保護管道和設(shè)備。全焊接球閥具有流體阻力小、節(jié)省能源、流向不受限制及啟、閉快等優(yōu)點，其綜合技術(shù)性能均比相同用途的截止閥、旋塞閥和蝶閥優(yōu)越，是長輸管線的首選閥門。筆者對全焊接球閥的設(shè)計理念和維護保養(yǎng)方法進行了介紹。

1 全焊接球閥的設(shè)計理念

1.1 閥座及其密封

閥座是閥門設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，對閥門的密封可靠性、使用壽命和操作靈活性有著重要作用。為使閥門更加密封，閥座采用金屬+VITON AED(抗爆氟橡膠)雙重密封混合設(shè)計，金屬采用硬度不低于閥門球體的材料，但應(yīng)考慮其與球體密封面間的硬度差；VITON AED的硬度為95～98 Shore A。一般情況下，當輸送介質(zhì)為氣體時，閥座為雙活塞效應(yīng)(Double Piston Effect，DPE)結(jié)構(gòu)；當輸送介質(zhì)為液體時，閥座為單活塞效應(yīng)(Single Piston Effect，SPE)結(jié)構(gòu)，中腔自動泄壓。當兩端閥座都采用DPE結(jié)構(gòu)或都采用SPE結(jié)構(gòu)時，無介質(zhì)流向要求；當一端為SPE結(jié)構(gòu)，另一端為DPE結(jié)構(gòu)時，對介質(zhì)流向有要求，上游應(yīng)為SPE，下游為DPE。

對于采用多重復(fù)合密封的閥座結(jié)構(gòu)，初級密封由金屬-金屬密封提供，金屬密封由球體和閥座的高精度加工和表面處理保證；第二級密封由嵌入閥座的軟密封環(huán)提供。高壓力情況下，可增加閥座保護環(huán)，提高密封可靠性，同時保護后級密封，延長閥門使用壽命，這也是管線球閥閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展趨勢。閥座與球體之間由彈簧和介質(zhì)壓力保證始終壓緊。閥門帶有密封脂注入裝置，可以在需要的情況下向閥座與球體之間注入密封脂。

1.2 球體與軸承

球體的剛性是影響閥門在高壓條件下密封性能的重要因素。所有的球體、閥座支承及閥桿等有轉(zhuǎn)動的內(nèi)件表面采用表面處理，通常要求進行化學(xué)鍍鎳處理，使轉(zhuǎn)動部位的表面具有足夠的鍍層厚度和硬度。旋轉(zhuǎn)接觸面均采用PTFE(聚四氟乙烯)復(fù)合軸承，操作扭矩小，使用壽命長，操作輕便、可靠。

1.3 閥桿與填料

閥桿的結(jié)構(gòu)特征：閥桿純扭剪結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥桿只承受純扭剪作用，這樣可以使閥桿密封不會因偏心而產(chǎn)生集中區(qū)域的過度磨損，延長閥門的使用壽命；多重密封，具備防火、防靜電和防閥桿噴出結(jié)構(gòu)設(shè)計。第一重密封為O形密封圈組合密封，填料為VITON AED；第二重密封為防火密封環(huán)，填料為膨脹石墨；第三重密封為O形密封圈密封，填料為VITON AED。閥門為防閥桿噴出的結(jié)構(gòu)，可以在帶壓情況下更換閥桿第三重密封。

1.4 緊急密封——注脂系統(tǒng)

注脂系統(tǒng)由注脂閥和止回閥組成，注脂閥安裝在閥體外側(cè)的閥座部位，止回閥安裝在閥桿填料函外徑上。該系統(tǒng)可以用來阻止或減少管線閥門密封座的泄漏，是一種補救措施，將閥門的徹底維護延遲到下一個預(yù)定的管線關(guān)閉期。

當閥座與球體的接觸表面由于磨損、老化和異物產(chǎn)生損害時，注入合適的密封脂，可以暫時阻止或減少泄漏。注脂前需要對閥座密封部位進行沖洗，且在此過程中閥門需開、關(guān)15°，左右各3～4次，以此徹底清潔球體與閥座的接觸面。注脂后，需要測試密封效果。

1.5 防火與防靜電結(jié)構(gòu)

要使球閥具有火災(zāi)安全功能，其結(jié)構(gòu)必須為防火型。防火結(jié)構(gòu)主要包括閥座防火結(jié)構(gòu)、閥桿防火結(jié)構(gòu)和閥體與左、右體結(jié)合面的防火結(jié)構(gòu)。其中閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵，閥座防火性能良好，在火災(zāi)事故狀態(tài)下，可減輕閥桿防火結(jié)構(gòu)和閥體與左、右體之間防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。

由于球體、閥桿與非金屬材料接觸、摩擦產(chǎn)生靜電，因此在閥桿上、下位置設(shè)置導(dǎo)靜電彈簧，將靜電導(dǎo)通至閥體。標準規(guī)定球體與閥體、閥桿與閥體之間產(chǎn)生的靜電必須小于12V，電阻值不大于10Ω。

2 影響全焊接球閥使用壽命的因素

影響全焊接球閥使用壽命的主要因素如下：

a. 選材。球閥閥體、閥內(nèi)件材料全部采用鍛件，避免了鑄造材料的砂眼、氣孔及疏松等缺陷；所有的球體、閥座支承及閥桿等有轉(zhuǎn)動的內(nèi)件表面采用化學(xué)鍍鎳，鍍層厚度需大于75μm，鍍鎳后硬度大于650HV；密封件采用氟橡膠(AED)，其具有不分解及耐腐蝕等優(yōu)良性能，可延長球閥的使用壽命；閥桿和球體的旋轉(zhuǎn)接觸面均采用不銹鋼塑料復(fù)合材料的軸承，操作扭矩小，使用壽命長，操作輕便、可靠。

b. 壁厚的設(shè)計計算。閥體等承壓件的壁厚按ASME標準計算后，加大腐蝕余量對承壓件壁厚進行取值，最終壁厚應(yīng)大于ASME標準的最小壁厚要求，并利用三維軟件進行有限元應(yīng)力分析、抗彎曲測試分析和抗擠壓測試分析，充分保證了球閥的抗彎曲、抗擠壓、長壽命和在不同自然環(huán)境下安全運行的要求。

c. 密封結(jié)構(gòu)。彈性密封面的抗沖蝕設(shè)計通過變形吸收沖蝕能量，然后再將其返彈，從而降低沖刷和磨損，滿足延長使用壽命的要求。全焊接球閥的法蘭與上閥桿壓蓋焊接連接，沒有密封零件，無防火要求。

d. 加工工藝。全焊接球閥焊接采用自動埋弧焊機，實現(xiàn)了法蘭、壓蓋處的自動焊接，統(tǒng)一了焊接參數(shù)，焊接效率高，焊縫質(zhì)量好。球體加工是利用數(shù)控磨球機采用包絡(luò)線磨球成型工藝對所有球體進行最終精加工，球體表面粗糙度低、圓度精度高、誤差?。婚y座支承采用數(shù)控機床與專用工裝相結(jié)合的加工工藝，精度高，互換性好。上述獨特的加工工藝使閥座組件精度高，閥桿、球體旋轉(zhuǎn)接觸表面粗糙度低、精度高，充分保證了球閥的密封性能、低扭矩、長使用壽命和操作輕便、可靠。

國內(nèi)生產(chǎn)的球閥在選材、設(shè)計、密封結(jié)構(gòu)及加工工藝等方面的嚴格要求，充分保證了球閥優(yōu)良的密封性能和三十年以上的使用壽命。

3 全焊接球閥維護保養(yǎng)

全焊接球閥無日常維護要求，對于排污和注脂操作應(yīng)遵循如下要領(lǐng)：

a. 閥門的排污必須按計劃進行，只有在清洗管線后、水壓試驗后和在寒冷季節(jié)來臨前才進行。排污時閥門必須處于全關(guān)或全開位置，緩慢擰松排污閥的閥芯，直到閥腔壓力全部泄放、排污完畢，然后擰緊閥芯。

b. 閥門正常運行時不應(yīng)對閥座和閥桿進行注密封脂，僅當閥門出現(xiàn)輕微內(nèi)漏或緊急情況(如失火后)時才注入密封脂臨時輔助密封。閥座注脂時需將閥門處于全開/關(guān)位置，先注入清洗液清洗注脂通路和密封區(qū)，保持1～2h后將閥門朝關(guān)/開方向扳動3～5°再次注入清洗液，然后將閥門扳回原位，保持1～2h后再用高壓注脂槍將密封脂注入。

4 結(jié)束語

筆者歸納了全焊接球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點和維護保養(yǎng)要領(lǐng)，其在選材、壁厚的設(shè)計計算、密封結(jié)構(gòu)和加工工藝方面的嚴格要求，充分保證了球閥優(yōu)良的密封性能和三十年以上的使用壽命，為我國能源產(chǎn)業(yè)由大轉(zhuǎn)強、實現(xiàn)科學(xué)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展提供重要保障。