石油天然氣工業(yè)常用閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用要點(diǎn)分析與對(duì)比

魏 濤， 董姝妙， 全本軍

(1.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司，北京 100120；2.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100085)

閥門(mén)是最常見(jiàn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管件，用途主要有開(kāi)閉管路、控制流向、調(diào)節(jié)和控制輸送介質(zhì)的參數(shù)(溫度、壓力和流量)等，其設(shè)計(jì)、選材、試驗(yàn)和檢驗(yàn)均必須遵守相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1]。閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)量和種類，一直隨著生產(chǎn)需要的變化和技術(shù)的發(fā)展在增加和改進(jìn)。國(guó)際上通用的閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)，按其制定者劃分為英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(BS)、日本標(biāo)準(zhǔn)(JIS)、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(DN)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織標(biāo)準(zhǔn)(ISO)、美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASME)和美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(API)。在石油天然氣工業(yè)的閥門(mén)設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)、使用、維護(hù)和檢修等環(huán)節(jié)中，需要重點(diǎn)了解和熟悉ASME標(biāo)準(zhǔn)和API標(biāo)準(zhǔn)[2]。

1 閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)及常用標(biāo)準(zhǔn)介紹

1.1 美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)

美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(American Society of Mechanical Engineers)于1880年成立，在世界范圍內(nèi)擁有很高的權(quán)威和廣泛的行業(yè)影響力。ASME主要致力于機(jī)械工程及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究，制定了一系列的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。ASME同時(shí)是世界最大的技術(shù)文獻(xiàn)出版機(jī)構(gòu)之一，其出版和發(fā)行的約600項(xiàng)技術(shù)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)被世界100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)廣泛采用。

ASME標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于閥門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)適用于包括石油天然氣行業(yè)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域，最常用3個(gè)ASME閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)分別涉及： ①法蘭、螺紋及焊接連接閥門(mén)(ASME B16.34—2017)。②管法蘭和法蘭管件-NPS1/2-NPS24(ASME B16.5—2017)。③閥門(mén)的面到面和端到端長(zhǎng)度(ASME B16.10—2017)。

1.2 美國(guó)石油協(xié)會(huì)[3-5]

美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute)是一個(gè)非營(yíng)利機(jī)構(gòu)，是美國(guó)石油工業(yè)主要的貿(mào)易促進(jìn)協(xié)會(huì)，成立于1919年。API負(fù)責(zé)石油和天然氣工業(yè)用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的制定和出版，確保石油天然氣工業(yè)設(shè)備的安全、可靠使用以及可互換性。API代表美國(guó)石油工業(yè)勘探、開(kāi)發(fā)、運(yùn)輸、煉化和營(yíng)銷等方面280多家公司的利益，其會(huì)員來(lái)自世界各地，API標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)有著廣泛的影響力。

API標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)較多，主要包括：①管道閥門(mén)規(guī)范(API 6D)。②法蘭和對(duì)焊端螺栓連接閥蓋鋼制閘閥(API 600)。③石油天然氣工業(yè)用DN100 mm及以下鋼制閘閥、截止閥和止回閥(API 602)。④井口和采油樹(shù)設(shè)備(API 6A)。此4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，API 6D最為常用。

2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)用要點(diǎn)分析與對(duì)比

閥門(mén)最主要的參數(shù)是閥門(mén)尺寸、壓力等級(jí)和材質(zhì)，通常這3個(gè)參數(shù)會(huì)在閥門(mén)閥體上標(biāo)識(shí)出。例如標(biāo)記2″150 WCB，代表閥門(mén)內(nèi)徑為2英寸(實(shí)為所連接管道的尺寸，非閥門(mén)真實(shí)內(nèi)徑)、壓力等級(jí)為150磅級(jí)、材料為WCB的閥門(mén)。以下從閥門(mén)尺寸、壓力等級(jí)以及材料等方面，對(duì)常用標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行分析與對(duì)比。

2.1 ASME B16.34[6-9]

ASME B16.34是工業(yè)閥門(mén)最基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)，同樣適用于石油天然氣工業(yè)，該標(biāo)準(zhǔn)起源于1939年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASA)出版的B 16E標(biāo)準(zhǔn)[4]，每4～5 a修訂一次，最新版本是ASME B16.34—2017 《Valves—Flanged, threaded, and welding end》。ASME B16.34中可以找到對(duì)閥門(mén)尺寸、溫度壓力等級(jí)、材料和閥體壁厚等的規(guī)定。

2.1.1 閥門(mén)實(shí)際內(nèi)徑

ASME B16.34給出了不同管道公稱尺寸(NPS)、不同壓力等級(jí)下閥門(mén)對(duì)應(yīng)的內(nèi)徑尺寸表，該表可用于確定閥門(mén)真實(shí)內(nèi)徑，為非強(qiáng)制附錄A中表A-1。為方便文中分析時(shí)進(jìn)行參照，摘取ASME B16.34的非強(qiáng)制附錄A中表A-1的部分?jǐn)?shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 ASME B16.34中閥門(mén)內(nèi)徑部分?jǐn)?shù)據(jù)

從表1可知，對(duì)于給定的NPS，閥門(mén)的內(nèi)徑并不精確等于管道尺寸NPS，且不同壓力下閥門(mén)的內(nèi)徑不同，隨著壓力等級(jí)升高，閥門(mén)內(nèi)徑逐漸減小。對(duì)于給定的NPS(閥體上標(biāo)注的尺寸)，可查到對(duì)應(yīng)壓力等級(jí)下的閥門(mén)真實(shí)內(nèi)徑。

2.1.2 閥門(mén)壓力等級(jí)

閥門(mén)壓力等級(jí)表征閥門(mén)的承壓性能。ASME B16.34表3A提供了閥體最小壁厚與閥門(mén)等級(jí)及管道內(nèi)徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)表3A可確定閥門(mén)最小壁厚。閥門(mén)設(shè)計(jì)中通常考慮一定的安全系數(shù)，取最小壁厚的1.35倍確定為閥門(mén)壁厚。為方便文中分析時(shí)進(jìn)行參照，摘取了ASME B16.34 表3A的部分?jǐn)?shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 ASME B16.34中閥門(mén)最小壁厚部分?jǐn)?shù)據(jù)

從表2可以看到，閥門(mén)的壓力等級(jí)、連接管道的內(nèi)徑和閥門(mén)的最小厚度這3個(gè)參數(shù)之間關(guān)系密切，只要其中2個(gè)數(shù)值已知，就可據(jù)表查出第3個(gè)。Class 150、Class 300、Class 600、Class 900、Class 1500、Class 2500和Class 4500中的數(shù)值無(wú)單位，不表示具體的壓力，只是一個(gè)概數(shù)。如2″CL 150的閥門(mén)，其承受的壓力并不準(zhǔn)確等于150PSI(Pounds per square inch)。

閥門(mén)材料承受壓力的能力取決于材料的強(qiáng)度，而材料的強(qiáng)度又與使用溫度有關(guān)，因此準(zhǔn)確的壓力值還需要進(jìn)一步根據(jù)閥門(mén)的使用溫度來(lái)確定。ASME B16.34中表2根據(jù)閥門(mén)材料的不同分為表2-1.1～表2-3.19(根據(jù)ASME B16.34，將閥門(mén)材料分成了3類共50組材料)，每組材料對(duì)應(yīng)1個(gè)表格，且每個(gè)表分A、B共2部分，其中A代表法蘭連接閥門(mén)，B代表螺紋和焊接連接的閥門(mén)，因此在使用標(biāo)準(zhǔn)中的表2時(shí)，需注意閥門(mén)材料和其連接形式。ASME B16.34表2-1.1～表2-3.19提供了不同溫度下不同壓力等級(jí)閥門(mén)所承受的壓力值。為方便文中分析時(shí)進(jìn)行參照，摘取ASME B16.34表2-1.1～表2-3.19部分?jǐn)?shù)據(jù)，見(jiàn)表3。表3中閥門(mén)材料主要有A105 (1), (2)、A515 Gr. 70 (1)、A696 Gr. C (3)、A672 Gr. B70 (1)、A216 Gr. WCB (1)、A516 Gr. 70 (1) (4)、A350 Gr. LF6 Cl. 1 (5)、A672 Gr. C70 (1)、A350 Gr. LF2 (1)、A537 Cl. 1 (3)及A350 Gr.LF3 (6)。

表3 ASMB B16.34中部分材料的壓力-溫度等級(jí)部分?jǐn)?shù)據(jù)

注：1)此行為B特殊等級(jí)數(shù)據(jù)，其余均為A標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)數(shù)據(jù)。

由表3可知，Class 150的閥門(mén)，其工作壓力在不同溫度下的值為19.6～1.4 bar(284～20.3 PSI)，并不一定等于150 PSI。

2.2 ASME B16.5[10]

ASME B16.5是設(shè)計(jì)法蘭連接式閥門(mén)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括法蘭的尺寸、法蘭與管道、法蘭與法蘭間的連接形式。法蘭連接的閥門(mén)中絕大多數(shù)法蘭都是與閥體一體的，因此只需考慮閥門(mén)法蘭與管道端的法蘭連接形式即可，兩片法蘭之間連接需要用墊片來(lái)進(jìn)行密封，通過(guò)螺栓緊固，使兩片法蘭夾緊墊片而不產(chǎn)生泄漏。ASME B16.5提供了常用的突面(Raised Face，RF)和全平面(Flat Face，F(xiàn)F)、凹面(Female Face)和凸面(Male Face)、榫面(Tongue Face)和槽面(Groove Face)、環(huán)連接面(Ring Joint Face)4類密封形式的法蘭密封面形式，見(jiàn)圖1。閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，一般依據(jù)壓力等級(jí)條件選擇法蘭密封面形式。

圖1 常用的4類法蘭密封面形式

2.2.1 突面和全平面密封

當(dāng)閥門(mén)的壓力等級(jí)較低(Class 150和Class 300)時(shí)，閥門(mén)法蘭與管道端法蘭采用RF密封面形式，不需要對(duì)墊片進(jìn)行保護(hù)，兩片法蘭直接夾緊墊片實(shí)現(xiàn)密封。墊片厚度較大(一般大于4.5 mm)時(shí)，可直接采用FF密封面的法蘭進(jìn)行連接。

2.2.2 凹凸面密封

當(dāng)閥門(mén)的壓力等級(jí)升高(Class 600和Class 900)時(shí)，閥門(mén)與管道之間的連接采用凹凸面(Male Face & Female Face，MF)密封形式。MF密封面與墊片配合使用時(shí)，墊片處于Female端的凹面內(nèi)，可以承受升高的壓力作用而不被破壞。

2.2.3 榫槽面密封

當(dāng)閥門(mén)的壓力等級(jí)繼續(xù)升高(Class 1500)時(shí)，閥門(mén)與管道之間的連接采用榫槽面(Tongue Face & Groove Face，TG)密封形式。TG密封面與墊片配合使用時(shí)，墊片完全處于Groove斷面的溝槽的封閉空間內(nèi)，可以承受更高壓力的作用而不被破壞。

2.2.4 環(huán)連接面密封

當(dāng)閥門(mén)的壓力等級(jí)更高(Class 2500) 時(shí)，采用環(huán)連接面(RJ)密封面連接形式。此時(shí)與密封面配合使用的墊片要求相應(yīng)提高，內(nèi)環(huán)石墨、外環(huán)金屬纏繞的墊片也需替換為八角金屬墊片，這種結(jié)構(gòu)中金屬墊片完全嵌在兩片法蘭之間的密封圈內(nèi)。

法蘭尺寸需根據(jù)ASME B16.5中的相關(guān)表格確定。以Class 150 法蘭為例，需運(yùn)用ASME B16.5中表4-法蘭面尺寸(除RJ形式外的所有壓力等級(jí))和表7-150磅法蘭鉆孔模板來(lái)確定法蘭的尺寸，包括法蘭外徑、螺栓孔中心位置、螺栓數(shù)量、墊片直徑和厚度以及法蘭內(nèi)徑。

2.3 ASME B16.10[11-12]

閥門(mén)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度對(duì)于保證閥門(mén)的互換性具有重要意義。更換閥門(mén)時(shí)，要保證更換不會(huì)改變連接管道的長(zhǎng)度，不僅要選對(duì)閥門(mén)的材料、規(guī)格、壓力等級(jí)和端面連接形式，還要選對(duì)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。確定閥門(mén)的長(zhǎng)度要依據(jù)ASME B16.10標(biāo)準(zhǔn)。

ASME B16.10將閥門(mén)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度分為2類，即其標(biāo)準(zhǔn)名稱中給出的面到面尺寸和端到端尺寸。在應(yīng)用此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)閥門(mén)長(zhǎng)度時(shí)，首先需要明確面到面和端到端2個(gè)概念的區(qū)別和聯(lián)系。法蘭連接閥門(mén)的面到面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度是末端間即墊片接觸表面間的距離。面到面尺寸概念適用于法蘭面為平面、突面、凸面及榫面的法蘭連接閥門(mén)。墊片接觸面不位于閥門(mén)末端的法蘭連接的閥門(mén)，其末端間的距離稱為端到端結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。端到端尺寸概念適用于法蘭端面為環(huán)連接、凹面及槽面的法蘭連接閥門(mén)。

ASME B16.10中通過(guò)表格(表9)形式提供了各種法蘭端面的法蘭連接閥門(mén)(面到面和端到端)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的確定方法。結(jié)合ASME B16.10定義的面到面和端到端概念以及表9的內(nèi)容進(jìn)行綜合分析可知，端到端閥門(mén)的結(jié)構(gòu)比面到面的閥門(mén)結(jié)構(gòu)更長(zhǎng)。在給定的NPS下，RF和FF密封面形式閥門(mén)的長(zhǎng)度可以依據(jù)某個(gè)磅級(jí)法蘭連接鑄鐵閥門(mén)和某個(gè)磅級(jí)法蘭連接和對(duì)焊連接鋼制閥門(mén)的(面到面和端到端)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度通過(guò)直接查表(ASME B16.10表2～表8)得到。對(duì)于RJ密封面形式的閥門(mén)的長(zhǎng)度，則需要在查表(ASME B16.10表2～表8)結(jié)果的基礎(chǔ)上加相應(yīng)的修正系數(shù)得到，修正系數(shù)的大小可從ASME B16.10中表10(150～500磅RJ密封面形式的鋼制閥門(mén)的端到端長(zhǎng)度)查到。

2.4 API 6D[13-22]

API 6D是管線閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)，全稱為《管道及管線閥門(mén)規(guī)范》，與ISO 14313:2007《石油天然氣工業(yè)-管線輸送系統(tǒng)-管線閥門(mén)》等同，該標(biāo)準(zhǔn)是石油天然氣工業(yè)閥門(mén)設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，其適用范圍包括閘閥、旋塞閥、球閥和止回閥。

在閥門(mén)主要設(shè)計(jì)要素上，API 6D和ASME B16.34有所不同，API 6D中關(guān)于閥門(mén)尺寸、壓力和材料的規(guī)定如下。

2.4.1 閥門(mén)內(nèi)徑

閥門(mén)設(shè)計(jì)中首先要確定的尺寸是閥門(mén)內(nèi)徑。API 6D中以表格(表1)形式提供了全通徑閥門(mén)最小通徑尺寸，此表與ASME B16.34中的表A-1的作用一致，用來(lái)確定閥門(mén)內(nèi)徑。

為方便文中分析時(shí)進(jìn)行參照，摘取API 6D中表1的部分?jǐn)?shù)據(jù)，見(jiàn)表4。

表4 API 6D中全通徑閥門(mén)最小通徑部分?jǐn)?shù)據(jù)

比較API 6D中的表1和ASME B 16.34中的表A-1可以看出，2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的閥門(mén)內(nèi)徑不一致，以4 in Class 900閥門(mén)為例，ASME B16.34中查到的閥門(mén)內(nèi)徑為98.3 mm，API 6D中查到的閥門(mén)最小通徑為100 mm，顯然API 6D閥門(mén)的內(nèi)徑要比ASME B16.34閥門(mén)的大。

這是因?yàn)锳PI 6D考慮了閥門(mén)在石油天然氣工業(yè)應(yīng)用中介質(zhì)和環(huán)境的特殊性。當(dāng)管道和閥門(mén)處于輸送原油的系統(tǒng)中時(shí)，由于原油具有黏性，通常會(huì)在管道內(nèi)壁形成結(jié)蠟，為保證管道暢通需用清管器進(jìn)行清管操作。為保證清管器的順利通過(guò)，用于原油輸送系統(tǒng)中的閥門(mén)沒(méi)有縮徑閥門(mén)，因此API 6D中的閥門(mén)尺寸比ASME 16.34中的閥門(mén)尺寸大。

2.4.2 閥腔自動(dòng)泄壓

API 6D 中采用了與ASME B16.34基本相同的閥門(mén)壓力等級(jí)和閥門(mén)溫度等級(jí)。不同的是，API 6D規(guī)定了閥腔自動(dòng)泄壓要求。閥門(mén)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，流體介質(zhì)會(huì)進(jìn)入閥腔，閥腔會(huì)存在壓力，且隨著環(huán)境溫度升高，閥腔內(nèi)壓力也會(huì)升高，但閥腔承受的最高壓力不能高于1.33倍的閥門(mén)壓力。按照自動(dòng)泄壓功能要求，當(dāng)閥腔內(nèi)壓力高于管道內(nèi)壓力時(shí)，閥座離開(kāi)球體或閘板，將壓力泄放到管線中，閥腔超壓泄放示意見(jiàn)圖2。按照自動(dòng)泄壓功能要求，閥座應(yīng)為單活塞效應(yīng)(Single Piston Effect，SPE)類型的閥座。

圖2 閥腔超壓泄放示圖

2.4.3 材料

API 6D 中閥門(mén)材料與ASME B16.34保持一致，都采用ASTM材料標(biāo)準(zhǔn)。API 6D閥門(mén)許多內(nèi)部零部件材料為非金屬材料，在閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)需要有防火安全的設(shè)計(jì)。閥座采用2種材料組成，外圈是金屬材料、內(nèi)圈是非金屬材料，在出現(xiàn)火災(zāi)非金屬材料的閥座失效時(shí)，金屬閥座可以充當(dāng)?shù)?道密封，以隔絕火情。

2.4.4 閥座

API 6D中閥座結(jié)構(gòu)有2種，分別是單向密封閥座結(jié)構(gòu)和雙向密封閥座結(jié)構(gòu)。單向密封閥座結(jié)構(gòu)具有單活塞效應(yīng)，雙向密封閥座結(jié)構(gòu)具有雙活塞效應(yīng)。

單向密封閥座結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，此閥座具有自動(dòng)泄壓功能。當(dāng)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，在球體上游的流體介質(zhì)會(huì)聚積并產(chǎn)生壓力，使閥座緊靠球體實(shí)現(xiàn)密封。中腔壓力升高時(shí)，中腔壓力反推閥座，壓縮預(yù)緊彈簧，將使下游閥座脫離球體而將超出的壓力泄放。這種閥座的布置形式可實(shí)現(xiàn)雙截?cái)嘈狗殴δ?Double Block & Bleed，DBB)。單向密封閥座只對(duì)單個(gè)方向的流體介質(zhì)起密封作用，上游流體介質(zhì)推動(dòng)閥座向球體運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生密封比壓，形成密封。下游流體則推動(dòng)閥座離開(kāi)球體，產(chǎn)生泄放。閥座對(duì)下游流體不起密封作用，以此實(shí)現(xiàn)單活塞效應(yīng)。

圖3 閥腔超壓時(shí)自泄放閥座的單向密封結(jié)構(gòu)

雙向密封閥座結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。當(dāng)閥門(mén)在關(guān)閉位置且上游閥座失效時(shí)，閥腔中的壓力因介質(zhì)充入而增加。閥腔中的壓力將激發(fā)下游閥座的雙活塞效應(yīng)，使下游閥座與球體之間形成第二道密封。這種閥座的布置形式能實(shí)現(xiàn)雙隔斷泄放功能(Double Isolation & Bleed，DIB)。由以上分析可知，雙活塞效應(yīng)閥座的功能是，對(duì)單個(gè)閥座來(lái)說(shuō)，無(wú)論是閥腔充壓還是管道充壓，閥座均是抱緊球體。

圖4 閥腔超壓時(shí)雙活塞效應(yīng)閥座的雙向密封結(jié)構(gòu)

2種不同閥座組合可實(shí)現(xiàn)不同功能，上下游閥座都是SPE閥座時(shí)，這種閥門(mén)可實(shí)現(xiàn)DBB功能；上下游閥座都是DPE時(shí)，可實(shí)現(xiàn)DIB功能。

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了石油天然氣工業(yè)3種最常用的ASME閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)和1種API閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)，分析比較了各標(biāo)準(zhǔn)在閥門(mén)結(jié)構(gòu)尺寸、壓力等級(jí)、材料選擇以及閥座結(jié)構(gòu)形式等方面的應(yīng)用要點(diǎn)，可為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。需要說(shuō)明的是，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也在不斷修訂和完善中，要全面了解和深入掌握不同時(shí)期ASME和API標(biāo)準(zhǔn)的要求及其細(xì)微差異，還需要深入研讀標(biāo)準(zhǔn)原文。