天然气长输管道全焊接球阀设计理念及维护保养

刘 博

(中国石化天然气分公司)

利用长距离管线输送油及天然气等资源已成为当今世界能源输送的最主要手段。其中天然气高压大口径全焊接球阀在天然气管道中具有举足轻重的作用，其控制着管线中介质的流向，调节介质的流量和压力，保护管道和设备。全焊接球阀具有流体阻力小、节省能源、流向不受限制及启、闭快等优点，其综合技术性能均比相同用途的截止阀、旋塞阀和蝶阀优越，是长输管线的首选阀门。笔者对全焊接球阀的设计理念和维护保养方法进行了介绍。

1 全焊接球阀的设计理念

1.1 阀座及其密封

阀座是阀门设计中最重要的环节，对阀门的密封可靠性、使用寿命和操作灵活性有着重要作用。为使阀门更加密封，阀座采用金属+VITON AED(抗爆氟橡胶)双重密封混合设计，金属采用硬度不低于阀门球体的材料，但应考虑其与球体密封面间的硬度差；VITON AED的硬度为95～98 Shore A。一般情况下，当输送介质为气体时，阀座为双活塞效应(Double Piston Effect，DPE)结构；当输送介质为液体时，阀座为单活塞效应(Single Piston Effect，SPE)结构，中腔自动泄压。当两端阀座都采用DPE结构或都采用SPE结构时，无介质流向要求；当一端为SPE结构，另一端为DPE结构时，对介质流向有要求，上游应为SPE，下游为DPE。

对于采用多重复合密封的阀座结构，初级密封由金属-金属密封提供，金属密封由球体和阀座的高精度加工和表面处理保证；第二级密封由嵌入阀座的软密封环提供。高压力情况下，可增加阀座保护环，提高密封可靠性，同时保护后级密封，延长阀门使用寿命，这也是管线球阀阀座结构设计的发展趋势。阀座与球体之间由弹簧和介质压力保证始终压紧。阀门带有密封脂注入装置，可以在需要的情况下向阀座与球体之间注入密封脂。

1.2 球体与轴承

球体的刚性是影响阀门在高压条件下密封性能的重要因素。所有的球体、阀座支承及阀杆等有转动的内件表面采用表面处理，通常要求进行化学镀镍处理，使转动部位的表面具有足够的镀层厚度和硬度。旋转接触面均采用PTFE(聚四氟乙烯)复合轴承，操作扭矩小，使用寿命长，操作轻便、可靠。

1.3 阀杆与填料

阀杆的结构特征：阀杆纯扭剪结构设计，阀杆只承受纯扭剪作用，这样可以使阀杆密封不会因偏心而产生集中区域的过度磨损，延长阀门的使用寿命；多重密封，具备防火、防静电和防阀杆喷出结构设计。第一重密封为O形密封圈组合密封，填料为VITON AED；第二重密封为防火密封环，填料为膨胀石墨；第三重密封为O形密封圈密封，填料为VITON AED。阀门为防阀杆喷出的结构，可以在带压情况下更换阀杆第三重密封。

1.4 紧急密封——注脂系统

注脂系统由注脂阀和止回阀组成，注脂阀安装在阀体外侧的阀座部位，止回阀安装在阀杆填料函外径上。该系统可以用来阻止或减少管线阀门密封座的泄漏，是一种补救措施，将阀门的彻底维护延迟到下一个预定的管线关闭期。

当阀座与球体的接触表面由于磨损、老化和异物产生损害时，注入合适的密封脂，可以暂时阻止或减少泄漏。注脂前需要对阀座密封部位进行冲洗，且在此过程中阀门需开、关15°，左右各3～4次，以此彻底清洁球体与阀座的接触面。注脂后，需要测试密封效果。

1.5 防火与防静电结构

要使球阀具有火灾安全功能，其结构必须为防火型。防火结构主要包括阀座防火结构、阀杆防火结构和阀体与左、右体结合面的防火结构。其中阀座防火结构设计是关键，阀座防火性能良好，在火灾事故状态下，可减轻阀杆防火结构和阀体与左、右体之间防火结构的设计难度。

由于球体、阀杆与非金属材料接触、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。标准规定球体与阀体、阀杆与阀体之间产生的静电必须小于12V，电阻值不大于10Ω。

2 影响全焊接球阀使用寿命的因素

影响全焊接球阀使用寿命的主要因素如下：

a. 选材。球阀阀体、阀内件材料全部采用锻件，避免了铸造材料的砂眼、气孔及疏松等缺陷；所有的球体、阀座支承及阀杆等有转动的内件表面采用化学镀镍，镀层厚度需大于75μm，镀镍后硬度大于650HV；密封件采用氟橡胶(AED)，其具有不分解及耐腐蚀等优良性能，可延长球阀的使用寿命；阀杆和球体的旋转接触面均采用不锈钢塑料复合材料的轴承，操作扭矩小，使用寿命长，操作轻便、可靠。

b. 壁厚的设计计算。阀体等承压件的壁厚按ASME标准计算后，加大腐蚀余量对承压件壁厚进行取值，最终壁厚应大于ASME标准的最小壁厚要求，并利用三维软件进行有限元应力分析、抗弯曲测试分析和抗挤压测试分析，充分保证了球阀的抗弯曲、抗挤压、长寿命和在不同自然环境下安全运行的要求。

c. 密封结构。弹性密封面的抗冲蚀设计通过变形吸收冲蚀能量，然后再将其返弹，从而降低冲刷和磨损，满足延长使用寿命的要求。全焊接球阀的法兰与上阀杆压盖焊接连接，没有密封零件，无防火要求。

d. 加工工艺。全焊接球阀焊接采用自动埋弧焊机，实现了法兰、压盖处的自动焊接，统一了焊接参数，焊接效率高，焊缝质量好。球体加工是利用数控磨球机采用包络线磨球成型工艺对所有球体进行最终精加工，球体表面粗糙度低、圆度精度高、误差小；阀座支承采用数控机床与专用工装相结合的加工工艺，精度高，互换性好。上述独特的加工工艺使阀座组件精度高，阀杆、球体旋转接触表面粗糙度低、精度高，充分保证了球阀的密封性能、低扭矩、长使用寿命和操作轻便、可靠。

国内生产的球阀在选材、设计、密封结构及加工工艺等方面的严格要求，充分保证了球阀优良的密封性能和三十年以上的使用寿命。

3 全焊接球阀维护保养

全焊接球阀无日常维护要求，对于排污和注脂操作应遵循如下要领：

a. 阀门的排污必须按计划进行，只有在清洗管线后、水压试验后和在寒冷季节来临前才进行。排污时阀门必须处于全关或全开位置，缓慢拧松排污阀的阀芯，直到阀腔压力全部泄放、排污完毕，然后拧紧阀芯。

b. 阀门正常运行时不应对阀座和阀杆进行注密封脂，仅当阀门出现轻微内漏或紧急情况(如失火后)时才注入密封脂临时辅助密封。阀座注脂时需将阀门处于全开/关位置，先注入清洗液清洗注脂通路和密封区，保持1～2h后将阀门朝关/开方向扳动3～5°再次注入清洗液，然后将阀门扳回原位，保持1～2h后再用高压注脂枪将密封脂注入。

4 结束语

笔者归纳了全焊接球阀的结构设计要点和维护保养要领，其在选材、壁厚的设计计算、密封结构和加工工艺方面的严格要求，充分保证了球阀优良的密封性能和三十年以上的使用寿命，为我国能源产业由大转强、实现科学发展和可持续发展提供重要保障。