天然气管道常用阀门—「管道球阀」

阀门的种类多种多样，应用范围相当广泛。天然气管道常用的阀门主要有管道球阀、平板闸阀、旋塞阀、强制密封阀等，其中以管道球阀应用最为广泛。

管道球阀的发展

管道球阀经过半个多世纪的发展，在结构设计上形成两大流派。一派以美国Cameron公司为代表，采用全焊接球状阀体结构。属于这一流派的有德国的BORSIG公司和Schuck公司，美国的Larsen&Toubro公司，日本的KITZ公司TIX公司，TUBOTA公司，以及俄罗斯的Tyazhpromarmatuva公司。另一流派以意大利的Grove公司为代表，采用非提示筒状结构和在此基础上发展起来的全焊接筒状阀体结构。同属于这一类的有意大利的NuovoPignone公司，PCC公司，PERAR公司，PIBIVIESSE公司，B.F.E公司，FCT公司，美国的PBV公司以及捷克的Czechoslovikia公司。

美国Cameron公司产品的技术特征是：全焊接球状阀体，尼龙或PTFE密封材料，可转动阀座，上下阀杆轴支撑，进口端密封，出口端腔体压力自动向下游段泄放。该公司在五十年代就完成了全焊接球形阀体结构，以其高可靠性广泛应用于油气长输管道中，如美国阿拉斯加原油输送管道。

意大利Grove公司生产的球阀以双活塞效应，防爆橡胶O型圈或PTFE密封材料，支撑板支轴球结构，分体式阀体，便于维修，广泛应用于油气长输管道的场站和增压站。其后发展的圆筒状或准圆筒状全焊接阀体球阀在长输管道中亦用作紧急切断阀。在某些需要在线维修的场合，可以选用上装式结构管线球阀。在其后的发展过程中，上述两种技术互相借鉴，互相交融。Cameron公司的Dynaseal370系列产品极为分体式结构，与全焊接阀体产品配套销售；Grove公司也推出准球状的全焊接阀体结构在主管线中获得应用。而其他公司如TIX，TITZ则吸收两大流派的优点，根据各自制造工艺特点，推出球状全焊接阀体，双活塞效应，橡胶密封材料的管道球阀产品，综合了各流派的技术优势。

管道球阀的结构特点及工作原理

1、阀体

阀体可分为全焊接阀体设计和分体式阀体设计。

全焊接阀体设计有筒状结构和球状结构，筒状结构制造工艺较简单，便于装配定位，返修容易实施，坯件制造所需模具简单，费用相对较低，而且方便采用支撑板对球体进行固定。但重量大，材料成本高。同时由于多采用双焊缝，焊接过程热输入量大，残余应力复杂，轴向和径向变形大。在阀门安装在管线上后，阀体承受极大地管道应力和管线载荷，同时由于安装误差、底层运动和热变应力等因素影响，产生的外力和扭矩是相当大的，厚度比较大的圆柱形阀体能够更可靠的承受管线载荷，不易产生变形。球形阀体结构受力状况优于筒形

阀体结构，抗弯曲、抗挤压能力强，阀体设计壁厚小，重量轻，结构整体性能好，但其制造工艺相对复杂，在阀内做球体支撑不易实施，一次性开模费用较高，但批量生产成本低于筒状结构阀门。目前，球状阀体结构有三种焊接形式：第一种是两纵两环焊接形式，Cameron公司的全焊接球阀即使这种焊接形式。这种结构阀体成型所需模具相对较为简单，模具费用低，但焊缝多，焊接变形大，装配定位难度大，T字形焊缝容易产生应力集中。第二种球形阀体结构是，左右两个阀体为球形，中间为圆柱形，三体通过两道对称纵向焊缝组焊而成，这种结构工艺性较好，便于返修和发干部分的安装，对于大口径全焊接球阀尤为适合，目前新比隆公司等采用此种结构。第三种是采用单条焊缝焊接的阀体结构，现在由于工艺技术进步，采用左右阀体热锻压成型，在中间单焊缝焊接成型，焊缝少，减少先能量输入，降低轴向和径向变形，且焊缝远离阀座，焊接热不易损伤阀座，因此可以以较高的焊接电流和速度进行焊接，此种结构阀体成型需要专门模具，模具费用相对较高，如一次装配试验不成功，

返修比较困难，目前Schuck等公司采用此种结构。

分体式结构又分为侧装式和顶装式两种。一般由阀体和左右连接体组成，连接体与阀体由螺栓连接，连接法兰厚度与螺栓的连接强度应按与阀体内径相当的法兰进行类比设计，其连接强度必须防止管道盈利而产生连接松弛，使密封失效。阀体与连接体面对面接触，中间无间隙。密封必须满足失火安全要求，采用橡胶“O”型圈与缠绕式金属垫组合密封。但是随着近年来全焊缝阀体技术的快速发展，已经逐渐取代了具有外漏危险的分体式结构。

阀体的材料为锻件，温度-29°以上选用ASTM A105；-25°以下选用ASTM A350 LF2。对于焊接阀体，对A105或LF2材料的化学成分、含碳量、碳当量以及硫、磷等元素应另有特殊限制。锻件按三级锻件标准验收，做100%无损探伤，焊缝处做着色检查和超声波探伤。

2、阀座及密封

阀座密封结构是全焊接球阀的关键技术，它直接影响球阀的密封性能和使用寿命，为确保其密封性能的可靠性和30年以上使用寿命的要求，通常在结构设计上采取以下措施：

（1）双活塞效应的双密封阀座结构

双活塞效应是指在这种结构里，阀座与球体密封中心与发作密封圈的中心在一个圆柱面上，如图所示，阀座支撑圈和阀座密封圈均为可以移动的活塞，同时具有两个活塞。所谓双密封座，是指就一个阀座而言，在两个方向均能实现密封的阀座结构。即当上游介质压力高于中腔压力时，介质压力会推动阀座密封圈向球体移动，使上游侧推力与中腔侧推力形成△P的压力差，从而使阀座与球体抱得更紧，增加密封比压，满足密封要求，也就是当上游压力高时能够实现密封；当中腔压力高于上游压力时，中腔压力会把阀座密封圈推向上游侧，而改变阀座上下游侧的受力面积，使中腔介质推动阀座支撑圈的推力大于上游侧介质推动阀座支撑圈的推力，形成△P的压力差，这个压力差仍然使阀座与球体抱得更紧，实现密封。所以这种结构无论上游侧压力高还是下游侧压力高，阀座都会紧紧抱紧球体，满足密封需要，因此叫双密封阀座。

（2）自泄压式的单密封阀座结构

如图所示，这种结构的阀座密封圈是固定的，只有阀座支撑圈可以移动，因此，这种结构又称作单活塞效应阀座。该结构阀座密封圈到阀门中心的距离A大于阀座与球体接触点到阀门中心的距离B，当上游压力高于阀腔压力时，上游压力会把阀座支撑圈推向球体，使阀座和球体紧密结合，实现密封。当中腔压力高于上游或者下游压力时，中强压力将把阀座支撑圈推离球体，是阀座和球体脱离接触，从而使中腔压力得以向低压的上游或者下游泄放。

双活塞效应的双密封阀座结构对全焊接球阀来说是一种非常有效地密封结构。由于要求确保30年使用寿命的全焊接球阀来说，是非常必要的，因为在阀内两个阀座中，任何一个阀座受损，另一个阀座仍然可以独立的起作用，保证密封。而对于自泄压式的单密封阀座结构来说，当一端阀座损坏后，介质会进入中腔，中腔压力将增大，而中腔压力的增大将会削弱另一端自泄压阀座的密封能力，当中腔压力高于下游压力达到设计值时，就会发生泄露。因此，就密封可靠性而言，双密封阀座结构优于单密封阀座结构。然而，正因为双活塞效应的双密封阀座结构不会自动泄放中腔介质压力，当阀门处于全开全关位置时，截留于中腔内的介质可能由于温度的急剧变化，使阀腔出现异常增压，经计算，当截留于阀腔内的气体温度由-30℃上升到70℃时（这种情况可能出现在我国的西北，在严寒的冬天，对阀门进行了开关，此后一直到来年炎热的夏天，都没有启闭过阀门。）阀腔压力会升高到原来的1.41倍，这种压力的升高对阀腔来说是不安全的。因为，气体是可压缩的，温度升高，对阀腔压力影响还不是很大；如阀腔充满的是液体介质，因液体的不可压缩性，温度升高，阀腔压力会升高更快。因此为保证阀腔的安全，对两个阀座均为双活塞效应的双密封阀座结构的全焊接球阀，必须在阀腔安装压力泄放阀，泄放阀的泄放压力通常设计为公称压力的1.1~1.33倍，泄放阀的通径通常≥1/2 in。

对于管道球阀阀体的密封方式通常组合密封方式，常用方法主要有下面三种：

（1）初级金属密封，次级软密封

金属密封可以减少管道内的杂质对软密封阀座的冲刷和擦伤，延长软密封阀座的使用寿命，同时金属密封承担了大部分来自管内介质对阀座支撑圈的推力，使阀座受力减小，避免了软密封阀座因为过载而受到伤害，金属阀座采用不低于阀门球体的材质。

目前软密封阀座的形状主要有两种，一种是Δ形的，一种是O形的，这两种形状的密封所用的材料以VITON AED（抗爆氟橡胶）为主，密封原理和性能一样。Δ形比O形的制造难度大，但 形阀座的装配难度小，发作草的加工难度也小于O形密封槽。国外大部分采用 形密封，少数企业采用O形密封，国内企业以Δ形密封为主。

（2）初级金属密封，第二级尼龙密封，第三级橡胶软密封

目前国内外少数企业采用三级密封方式，设计这种结构是考虑到管道有很多杂质，这些杂质经常会把球面、阀座损坏，造成阀门内漏，增加一道尼龙密封，阻挡管道内的杂质对阀座的冲刷。在阀门开关过程中，尼龙还起到把球体表面的杂质刮掉的作用，从而保护了第三级的橡胶软密封，有利于延长阀门的使用寿命。但这种结构的尼龙阀座装配难度比较大，如不采取有效措施，在阀门开关过程中，尼龙阀座会从阀座槽中脱离出来。再有由于安装空间所限，尼龙阀座不可能做得比较宽，这样尼龙阀座很可能因过载而加速损坏，影响其实际效果。

（3）尼龙阀座密封结构

目前有少数企业如Cameron等采用尼龙阀座密封结构。尼龙、增强四氟、PEEK等密封材料常用于分体式高压球阀，在全焊接球阀中并不常使用，因为这些材料相对于viton等氟橡胶类材料来说，比较硬，材料的承压能力强，但回弹性差，容易受到管道内的焊渣、铁锈、沙子等杂质的擦伤、冲刷，其补偿性能差，使用寿命难以得到保证，Cameron为提高阀门的使用寿命，采用了旋转阀座结构设计，位于阀门3、9点钟位置的阀座，在阀门开启过程中，最先与介质接触，最容易受到介质的冲刷，为使阀座能均匀受损，在阀门每开关一次，阀座旋转一定角度，有利于延长阀门的使用寿命。但这种结构大大增加了启闭力矩，对长期不启闭的阀门，更容易出现卡死。

另外，以上三种密封方式常与具有紧急密封作用的注脂系统一起使用。该系统由注脂阀和止回阀组成，分别安装于阀体外侧的阀座部位和阀杆填料函外径上。该系统是一种补救措施，可以在紧急状态下阻止或减少管线阀门密封座的泄露，将阀门的彻底维护延迟到下一个预定的管线关闭期。注脂之前，需要对阀座密封部位进行冲洗，且在此过程中阀门需打开15度左右三至四次，以彻底清洁球体与阀座的接触面。注脂后，要测试密封效果。

3、阀杆及密封

阀杆密封结构也是全焊接球阀的关键技术之一，此处密封性能若出现问题，介质就会外漏，造成环境污染、引发火灾等严重后果，因此务必高度重视。图所示结构是目前比较常用、也比较有效的一种阀杆密封结构，它由两道O型圈构成两道密封防线，辅以一道柔性石墨密封，保证了密封的可靠性。柔性石墨密封在发生火灾时可以有效地减少介质的外漏。

有人将两道O型圈密封分开，当阀杆密封出现泄漏时，可以对外层密封在带压情况下进行检修更换，这种结构更加先进、合理。国外部分设计在阀杆密封处采用一道O型圈、一道柔性石墨、一道弹簧制动密封圈结构，这种结构将三种不同密封材料的优点，集合在一起，形成全天候、满足多工况的密封要求。O型圈回弹性好，密封可靠，但耐高温、低温性能差，抗老化性能差；柔性石墨耐高温性能好，回弹性差，密封不是很可靠；弹簧制动密封圈是一种U形PTFE内置特殊弹簧的高性能密封圈，由适当的弹簧力加上系统流体压力，将密封面顶出而压在被密封的金属面以产生非常优异的密封效果，聚四氟乙烯抗老化、耐低温，适用介质广泛，弹簧的推力可以弥补密封面的磨损及阀杆表面的微观不平，是密封更长效、更可靠，这种结构特别适合于含硫天然气项目。

4、球体与支承轴

球体的加工精度，圆度≤0.005mm ，化学镀镍，镀层厚度高于阀座的镀层。对于大口径，高压力级阀门球体，应作球体变形计算，这种变形足以引起密封失效。

球体的支撑结构有两种，一种是以支撑板支撑球体，阀杆和球体是独立的，介质推力通过支撑板传递到阀体上，阀杆不承受介质推力，这种结构可以大大降低阀门的启闭力矩，有效保护阀杆密封，基本上筒形结构阀体都采用这种结构。另一种结构多用在球形结构阀体上，球体的支撑靠上下阀杆，通过上下阀杆将介质推力传递到阀体上，这种结构阀杆要承受介质的推力，因此启闭力矩大，阀杆受力会加速阀杆密封的磨损。

5、防火结构

管道阀门需要具有火灾安全功能，则其结构必须为防火型，而其防火结构的设计应主要考虑：阀座的防火结构设计，阀杆防火结构设计，阀体与左右体结合面的防火结构设计。其中，阀座防火结构设计是关键，阀座的防火性能良好，在火灾事故状态下，可减轻阀杆防火结构、阀体与左右体之间防火结构设计的难度。目前常用的方法就是在阀杆及阀座支撑圈部分都加设了石墨密封，石墨密封耐高温性能好，在发生火灾的时候可以有效地减少介质的外漏，具有良好的防火作用。

6、防静电设计

由于球体及阀杆与非金属材料接触和摩擦，产生静电，因此在阀杆上/下位置设置导静电弹簧，将静电导通至阀体，并按照标准规定，使球体与阀体及阀杆与球体之间在12VDC以下，电阻值在10欧姆以下。

7、DBB功能设计

DBB（双截断和排放）功能设计是指无论是阀门处于开启状态还是关闭状态，阀腔泄压排放时，上游端和下游端阀座应同时截止，并允许从排泄阀处对在线阀门进行阀座密封性能测试，而不影响管线运行。

8、其他设计结构

其他结构设计如放空、排污、注脂、吊耳等，国内外没有差异。