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    天然氣管道常用閥門—「管道球閥」

    時間:2022/06/17 來源 :杭州富陽富恒儀表閥門有限公司 點擊次數:193次 分享:

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    閥門的種類多種多樣,應用范圍相當廣泛。天然氣管道常用的閥門主要有管道球閥、平板閘閥、旋塞閥、強制密封閥等,其中以管道球閥應用最為廣泛。

    管道球閥的發展

    管道球閥經過半個多世紀的發展,在結構設計上形成兩大流派。一派以美國Cameron公司為代表,采用全焊接球狀閥體結構。屬于這一流派的有德國的BORSIG公司和Schuck公司,美國的Larsen&Toubro公司,日本的KITZ公司TIX公司,TUBOTA公司,以及俄羅斯的Tyazhpromarmatuva公司。另一流派以意大利的Grove公司為代表,采用非提示筒狀結構和在此基礎上發展起來的全焊接筒狀閥體結構。同屬于這一類的有意大利的NuovoPignone公司,PCC公司,PERAR公司,PIBIVIESSE公司,B.F.E公司,FCT公司,美國的PBV公司以及捷克的Czechoslovikia公司。

    美國Cameron公司產品的技術特征是:全焊接球狀閥體,尼龍或PTFE密封材料,可轉動閥座,上下閥桿軸支撐,進口端密封,出口端腔體壓力自動向下游段泄放。該公司在五十年代就完成了全焊接球形閥體結構,以其高可靠性廣泛應用于油氣長輸管道中,如美國阿拉斯加原油輸送管道。

    意大利Grove公司生產的球閥以雙活塞效應,防爆橡膠O型圈或PTFE密封材料,支撐板支軸球結構,分體式閥體,便于維修,廣泛應用于油氣長輸管道的場站和增壓站。其后發展的圓筒狀或準圓筒狀全焊接閥體球閥在長輸管道中亦用作緊急切斷閥。在某些需要在線維修的場合,可以選用上裝式結構管線球閥。在其后的發展過程中,上述兩種技術互相借鑒,互相交融。Cameron公司的Dynaseal370系列產品極為分體式結構,與全焊接閥體產品配套銷售;Grove公司也推出準球狀的全焊接閥體結構在主管線中獲得應用。而其他公司如TIX,TITZ則吸收兩大流派的優點,根據各自制造工藝特點,推出球狀全焊接閥體,雙活塞效應,橡膠密封材料的管道球閥產品,綜合了各流派的技術優勢。

    管道球閥的結構特點及工作原理

    1、閥體

    閥體可分為全焊接閥體設計和分體式閥體設計。

    全焊接閥體設計有筒狀結構和球狀結構,筒狀結構制造工藝較簡單,便于裝配定位,返修容易實施,坯件制造所需模具簡單,費用相對較低,而且方便采用支撐板對球體進行固定。但重量大,材料成本高。同時由于多采用雙焊縫,焊接過程熱輸入量大,殘余應力復雜,軸向和徑向變形大。在閥門安裝在管線上后,閥體承受極大地管道應力和管線載荷,同時由于安裝誤差、底層運動和熱變應力等因素影響,產生的外力和扭矩是相當大的,厚度比較大的圓柱形閥體能夠更可靠的承受管線載荷,不易產生變形。球形閥體結構受力狀況優于筒形

    閥體結構,抗彎曲、抗擠壓能力強,閥體設計壁厚小,重量輕,結構整體性能好,但其制造工藝相對復雜,在閥內做球體支撐不易實施,一次性開模費用較高,但批量生產成本低于筒狀結構閥門。目前,球狀閥體結構有三種焊接形式:第一種是兩縱兩環焊接形式,Cameron公司的全焊接球閥即使這種焊接形式。這種結構閥體成型所需模具相對較為簡單,模具費用低,但焊縫多,焊接變形大,裝配定位難度大,T字形焊縫容易產生應力集中。第二種球形閥體結構是,左右兩個閥體為球形,中間為圓柱形,三體通過兩道對稱縱向焊縫組焊而成,這種結構工藝性較好,便于返修和發干部分的安裝,對于大口徑全焊接球閥尤為適合,目前新比隆公司等采用此種結構。第三種是采用單條焊縫焊接的閥體結構,現在由于工藝技術進步,采用左右閥體熱鍛壓成型,在中間單焊縫焊接成型,焊縫少,減少先能量輸入,降低軸向和徑向變形,且焊縫遠離閥座,焊接熱不易損傷閥座,因此可以以較高的焊接電流和速度進行焊接,此種結構閥體成型需要專門模具,模具費用相對較高,如一次裝配試驗不成功,

    返修比較困難,目前Schuck等公司采用此種結構。

    分體式結構又分為側裝式和頂裝式兩種。一般由閥體和左右連接體組成,連接體與閥體由螺栓連接,連接法蘭厚度與螺栓的連接強度應按與閥體內徑相當的法蘭進行類比設計,其連接強度必須防止管道盈利而產生連接松弛,使密封失效。閥體與連接體面對面接觸,中間無間隙。密封必須滿足失火安全要求,采用橡膠“O”型圈與纏繞式金屬墊組合密封。但是隨著近年來全焊縫閥體技術的快速發展,已經逐漸取代了具有外漏危險的分體式結構。

    閥體的材料為鍛件,溫度-29°以上選用ASTM A105;-25°以下選用ASTM A350 LF2。對于焊接閥體,對A105或LF2材料的化學成分、含碳量、碳當量以及硫、磷等元素應另有特殊限制。鍛件按三級鍛件標準驗收,做100%無損探傷,焊縫處做著色檢查和超聲波探傷。

    2、閥座及密封

    閥座密封結構是全焊接球閥的關鍵技術,它直接影響球閥的密封性能和使用壽命,為確保其密封性能的可靠性和30年以上使用壽命的要求,通常在結構設計上采取以下措施:

    (1)雙活塞效應的雙密封閥座結構

    雙活塞效應是指在這種結構里,閥座與球體密封中心與發作密封圈的中心在一個圓柱面上,如圖所示,閥座支撐圈和閥座密封圈均為可以移動的活塞,同時具有兩個活塞。所謂雙密封座,是指就一個閥座而言,在兩個方向均能實現密封的閥座結構。即當上游介質壓力高于中腔壓力時,介質壓力會推動閥座密封圈向球體移動,使上游側推力與中腔側推力形成△P的壓力差,從而使閥座與球體抱得更緊,增加密封比壓,滿足密封要求,也就是當上游壓力高時能夠實現密封;當中腔壓力高于上游壓力時,中腔壓力會把閥座密封圈推向上游側,而改變閥座上下游側的受力面積,使中腔介質推動閥座支撐圈的推力大于上游側介質推動閥座支撐圈的推力,形成△P的壓力差,這個壓力差仍然使閥座與球體抱得更緊,實現密封。所以這種結構無論上游側壓力高還是下游側壓力高,閥座都會緊緊抱緊球體,滿足密封需要,因此叫雙密封閥座。


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    (2)自泄壓式的單密封閥座結構

    如圖所示,這種結構的閥座密封圈是固定的,只有閥座支撐圈可以移動,因此,這種結構又稱作單活塞效應閥座。該結構閥座密封圈到閥門中心的距離A大于閥座與球體接觸點到閥門中心的距離B,當上游壓力高于閥腔壓力時,上游壓力會把閥座支撐圈推向球體,使閥座和球體緊密結合,實現密封。當中腔壓力高于上游或者下游壓力時,中強壓力將把閥座支撐圈推離球體,是閥座和球體脫離接觸,從而使中腔壓力得以向低壓的上游或者下游泄放。


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    雙活塞效應的雙密封閥座結構對全焊接球閥來說是一種非常有效地密封結構。由于要求確保30年使用壽命的全焊接球閥來說,是非常必要的,因為在閥內兩個閥座中,任何一個閥座受損,另一個閥座仍然可以獨立的起作用,保證密封。而對于自泄壓式的單密封閥座結構來說,當一端閥座損壞后,介質會進入中腔,中腔壓力將增大,而中腔壓力的增大將會削弱另一端自泄壓閥座的密封能力,當中腔壓力高于下游壓力達到設計值時,就會發生泄露。因此,就密封可靠性而言,雙密封閥座結構優于單密封閥座結構。然而,正因為雙活塞效應的雙密封閥座結構不會自動泄放中腔介質壓力,當閥門處于全開全關位置時,截留于中腔內的介質可能由于溫度的急劇變化,使閥腔出現異常增壓,經計算,當截留于閥腔內的氣體溫度由-30℃上升到70℃時(這種情況可能出現在我國的西北,在嚴寒的冬天,對閥門進行了開關,此后一直到來年炎熱的夏天,都沒有啟閉過閥門。)閥腔壓力會升高到原來的1.41倍,這種壓力的升高對閥腔來說是不安全的。因為,氣體是可壓縮的,溫度升高,對閥腔壓力影響還不是很大;如閥腔充滿的是液體介質,因液體的不可壓縮性,溫度升高,閥腔壓力會升高更快。因此為保證閥腔的安全,對兩個閥座均為雙活塞效應的雙密封閥座結構的全焊接球閥,必須在閥腔安裝壓力泄放閥,泄放閥的泄放壓力通常設計為公稱壓力的1.1~1.33倍,泄放閥的通徑通?!?/2 in。

    對于管道球閥閥體的密封方式通常組合密封方式,常用方法主要有下面三種:

    (1)初級金屬密封,次級軟密封

    金屬密封可以減少管道內的雜質對軟密封閥座的沖刷和擦傷,延長軟密封閥座的使用壽命,同時金屬密封承擔了大部分來自管內介質對閥座支撐圈的推力,使閥座受力減小,避免了軟密封閥座因為過載而受到傷害,金屬閥座采用不低于閥門球體的材質。

    目前軟密封閥座的形狀主要有兩種,一種是Δ形的,一種是O形的,這兩種形狀的密封所用的材料以VITON AED(抗爆氟橡膠)為主,密封原理和性能一樣。Δ形比O形的制造難度大,但 形閥座的裝配難度小,發作草的加工難度也小于O形密封槽。國外大部分采用 形密封,少數企業采用O形密封,國內企業以Δ形密封為主。

    (2)初級金屬密封,第二級尼龍密封,第三級橡膠軟密封

    目前國內外少數企業采用三級密封方式,設計這種結構是考慮到管道有很多雜質,這些雜質經常會把球面、閥座損壞,造成閥門內漏,增加一道尼龍密封,阻擋管道內的雜質對閥座的沖刷。在閥門開關過程中,尼龍還起到把球體表面的雜質刮掉的作用,從而保護了第三級的橡膠軟密封,有利于延長閥門的使用壽命。但這種結構的尼龍閥座裝配難度比較大,如不采取有效措施,在閥門開關過程中,尼龍閥座會從閥座槽中脫離出來。再有由于安裝空間所限,尼龍閥座不可能做得比較寬,這樣尼龍閥座很可能因過載而加速損壞,影響其實際效果。

    (3)尼龍閥座密封結構

    目前有少數企業如Cameron等采用尼龍閥座密封結構。尼龍、增強四氟、PEEK等密封材料常用于分體式高壓球閥,在全焊接球閥中并不常使用,因為這些材料相對于viton等氟橡膠類材料來說,比較硬,材料的承壓能力強,但回彈性差,容易受到管道內的焊渣、鐵銹、沙子等雜質的擦傷、沖刷,其補償性能差,使用壽命難以得到保證,Cameron為提高閥門的使用壽命,采用了旋轉閥座結構設計,位于閥門3、9點鐘位置的閥座,在閥門開啟過程中,最先與介質接觸,最容易受到介質的沖刷,為使閥座能均勻受損,在閥門每開關一次,閥座旋轉一定角度,有利于延長閥門的使用壽命。但這種結構大大增加了啟閉力矩,對長期不啟閉的閥門,更容易出現卡死。

    另外,以上三種密封方式常與具有緊急密封作用的注脂系統一起使用。該系統由注脂閥和止回閥組成,分別安裝于閥體外側的閥座部位和閥桿填料函外徑上。該系統是一種補救措施,可以在緊急狀態下阻止或減少管線閥門密封座的泄露,將閥門的徹底維護延遲到下一個預定的管線關閉期。注脂之前,需要對閥座密封部位進行沖洗,且在此過程中閥門需打開15度左右三至四次,以徹底清潔球體與閥座的接觸面。注脂后,要測試密封效果。

    3、閥桿及密封

    閥桿密封結構也是全焊接球閥的關鍵技術之一,此處密封性能若出現問題,介質就會外漏,造成環境污染、引發火災等嚴重后果,因此務必高度重視。圖所示結構是目前比較常用、也比較有效的一種閥桿密封結構,它由兩道O型圈構成兩道密封防線,輔以一道柔性石墨密封,保證了密封的可靠性。柔性石墨密封在發生火災時可以有效地減少介質的外漏。

    有人將兩道O型圈密封分開,當閥桿密封出現泄漏時,可以對外層密封在帶壓情況下進行檢修更換,這種結構更加先進、合理。國外部分設計在閥桿密封處采用一道O型圈、一道柔性石墨、一道彈簧制動密封圈結構,這種結構將三種不同密封材料的優點,集合在一起,形成全天候、滿足多工況的密封要求。O型圈回彈性好,密封可靠,但耐高溫、低溫性能差,抗老化性能差;柔性石墨耐高溫性能好,回彈性差,密封不是很可靠;彈簧制動密封圈是一種U形PTFE內置特殊彈簧的高性能密封圈,由適當的彈簧力加上系統流體壓力,將密封面頂出而壓在被密封的金屬面以產生非常優異的密封效果,聚四氟乙烯抗老化、耐低溫,適用介質廣泛,彈簧的推力可以彌補密封面的磨損及閥桿表面的微觀不平,是密封更長效、更可靠,這種結構特別適合于含硫天然氣項目。

    4、球體與支承軸

    球體的加工精度,圓度≤0.005mm ,化學鍍鎳,鍍層厚度高于閥座的鍍層。對于大口徑,高壓力級閥門球體,應作球體變形計算,這種變形足以引起密封失效。

    球體的支撐結構有兩種,一種是以支撐板支撐球體,閥桿和球體是獨立的,介質推力通過支撐板傳遞到閥體上,閥桿不承受介質推力,這種結構可以大大降低閥門的啟閉力矩,有效保護閥桿密封,基本上筒形結構閥體都采用這種結構。另一種結構多用在球形結構閥體上,球體的支撐靠上下閥桿,通過上下閥桿將介質推力傳遞到閥體上,這種結構閥桿要承受介質的推力,因此啟閉力矩大,閥桿受力會加速閥桿密封的磨損。

    5、防火結構

    管道閥門需要具有火災安全功能,則其結構必須為防火型,而其防火結構的設計應主要考慮:閥座的防火結構設計,閥桿防火結構設計,閥體與左右體結合面的防火結構設計。其中,閥座防火結構設計是關鍵,閥座的防火性能良好,在火災事故狀態下,可減輕閥桿防火結構、閥體與左右體之間防火結構設計的難度。目前常用的方法就是在閥桿及閥座支撐圈部分都加設了石墨密封,石墨密封耐高溫性能好,在發生火災的時候可以有效地減少介質的外漏,具有良好的防火作用。

    6、防靜電設計

    由于球體及閥桿與非金屬材料接觸和摩擦,產生靜電,因此在閥桿上/下位置設置導靜電彈簧,將靜電導通至閥體,并按照標準規定,使球體與閥體及閥桿與球體之間在12VDC以下,電阻值在10歐姆以下。

    7、DBB功能設計

    DBB(雙截斷和排放)功能設計是指無論是閥門處于開啟狀態還是關閉狀態,閥腔泄壓排放時,上游端和下游端閥座應同時截止,并允許從排泄閥處對在線閥門進行閥座密封性能測試,而不影響管線運行。

    8、其他設計結構

    其他結構設計如放空、排污、注脂、吊耳等,國內外沒有差異。


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