石油天然气工业常用阀门标准应用要点分析与对比

魏 涛， 董姝妙， 全本军

(1.中国石油工程建设有限公司，北京 100120；2.中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司，北京 100085)

阀门是最常见的工业标准管件，用途主要有开闭管路、控制流向、调节和控制输送介质的参数(温度、压力和流量)等，其设计、选材、试验和检验均必须遵守相应的标准规范[1]。阀门标准规范的数量和种类，一直随着生产需要的变化和技术的发展在增加和改进。国际上通用的阀门标准，按其制定者划分为英国标准(BS)、日本标准(JIS)、德国标准(DN)、国际标准组织标准(ISO)、美国机械工程师协会标准(ASME)和美国石油学会标准(API)。在石油天然气工业的阀门设计、制造、安装、检验、使用、维护和检修等环节中，需要重点了解和熟悉ASME标准和API标准[2]。

1 阀门标准机构及常用标准介绍

1.1 美国机械工程师协会

美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers)于1880年成立，在世界范围内拥有很高的权威和广泛的行业影响力。ASME主要致力于机械工程及相关领域的科学研究，制定了一系列的机械标准和规范。ASME同时是世界最大的技术文献出版机构之一，其出版和发行的约600项技术法规与标准被世界100多个国家和地区广泛采用。

ASME标准中关于阀门的标准适用于包括石油天然气行业在内的多个领域，最常用3个ASME阀门标准分别涉及： ①法兰、螺纹及焊接连接阀门(ASME B16.34—2017)。②管法兰和法兰管件-NPS1/2-NPS24(ASME B16.5—2017)。③阀门的面到面和端到端长度(ASME B16.10—2017)。

1.2 美国石油协会[3-5]

美国石油学会(American Petroleum Institute)是一个非营利机构，是美国石油工业主要的贸易促进协会，成立于1919年。API负责石油和天然气工业用设备标准的制定和出版，确保石油天然气工业设备的安全、可靠使用以及可互换性。API代表美国石油工业勘探、开发、运输、炼化和营销等方面280多家公司的利益，其会员来自世界各地，API标准在世界范围内有着广泛的影响力。

API标准中关于阀门标准较多，主要包括：①管道阀门规范(API 6D)。②法兰和对焊端螺栓连接阀盖钢制闸阀(API 600)。③石油天然气工业用DN100 mm及以下钢制闸阀、截止阀和止回阀(API 602)。④井口和采油树设备(API 6A)。此4个标准中，API 6D最为常用。

2 标准规范应用要点分析与对比

阀门最主要的参数是阀门尺寸、压力等级和材质，通常这3个参数会在阀门阀体上标识出。例如标记2″150 WCB，代表阀门内径为2英寸(实为所连接管道的尺寸，非阀门真实内径)、压力等级为150磅级、材料为WCB的阀门。以下从阀门尺寸、压力等级以及材料等方面，对常用标准的应用要点进行分析与对比。

2.1 ASME B16.34[6-9]

ASME B16.34是工业阀门最基础的标准，同样适用于石油天然气工业，该标准起源于1939年美国标准协会(ASA)出版的B 16E标准[4]，每4～5 a修订一次，最新版本是ASME B16.34—2017 《Valves—Flanged, threaded, and welding end》。ASME B16.34中可以找到对阀门尺寸、温度压力等级、材料和阀体壁厚等的规定。

2.1.1 阀门实际内径

ASME B16.34给出了不同管道公称尺寸(NPS)、不同压力等级下阀门对应的内径尺寸表，该表可用于确定阀门真实内径，为非强制附录A中表A-1。为方便文中分析时进行参照，摘取ASME B16.34的非强制附录A中表A-1的部分数据，见表1。

表1 ASME B16.34中阀门内径部分数据

从表1可知，对于给定的NPS，阀门的内径并不精确等于管道尺寸NPS，且不同压力下阀门的内径不同，随着压力等级升高，阀门内径逐渐减小。对于给定的NPS(阀体上标注的尺寸)，可查到对应压力等级下的阀门真实内径。

2.1.2 阀门压力等级

阀门压力等级表征阀门的承压性能。ASME B16.34表3A提供了阀体最小壁厚与阀门等级及管道内径的对应关系,根据表3A可确定阀门最小壁厚。阀门设计中通常考虑一定的安全系数，取最小壁厚的1.35倍确定为阀门壁厚。为方便文中分析时进行参照，摘取了ASME B16.34 表3A的部分数据，见表2。

表2 ASME B16.34中阀门最小壁厚部分数据

从表2可以看到，阀门的压力等级、连接管道的内径和阀门的最小厚度这3个参数之间关系密切，只要其中2个数值已知，就可据表查出第3个。Class 150、Class 300、Class 600、Class 900、Class 1500、Class 2500和Class 4500中的数值无单位，不表示具体的压力，只是一个概数。如2″CL 150的阀门，其承受的压力并不准确等于150PSI(Pounds per square inch)。

阀门材料承受压力的能力取决于材料的强度，而材料的强度又与使用温度有关，因此准确的压力值还需要进一步根据阀门的使用温度来确定。ASME B16.34中表2根据阀门材料的不同分为表2-1.1～表2-3.19(根据ASME B16.34，将阀门材料分成了3类共50组材料)，每组材料对应1个表格，且每个表分A、B共2部分，其中A代表法兰连接阀门，B代表螺纹和焊接连接的阀门，因此在使用标准中的表2时，需注意阀门材料和其连接形式。ASME B16.34表2-1.1～表2-3.19提供了不同温度下不同压力等级阀门所承受的压力值。为方便文中分析时进行参照，摘取ASME B16.34表2-1.1～表2-3.19部分数据，见表3。表3中阀门材料主要有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中部分材料的压力-温度等级部分数据

注：1)此行为B特殊等级数据，其余均为A标准等级数据。

由表3可知，Class 150的阀门，其工作压力在不同温度下的值为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是设计法兰连接式阀门的设计标准，包括法兰的尺寸、法兰与管道、法兰与法兰间的连接形式。法兰连接的阀门中绝大多数法兰都是与阀体一体的，因此只需考虑阀门法兰与管道端的法兰连接形式即可，两片法兰之间连接需要用垫片来进行密封，通过螺栓紧固，使两片法兰夹紧垫片而不产生泄漏。ASME B16.5提供了常用的突面(Raised Face，RF)和全平面(Flat Face，FF)、凹面(Female Face)和凸面(Male Face)、榫面(Tongue Face)和槽面(Groove Face)、环连接面(Ring Joint Face)4类密封形式的法兰密封面形式，见图1。阀门设计时，一般依据压力等级条件选择法兰密封面形式。

图1 常用的4类法兰密封面形式

2.2.1 突面和全平面密封

当阀门的压力等级较低(Class 150和Class 300)时，阀门法兰与管道端法兰采用RF密封面形式，不需要对垫片进行保护，两片法兰直接夹紧垫片实现密封。垫片厚度较大(一般大于4.5 mm)时，可直接采用FF密封面的法兰进行连接。

2.2.2 凹凸面密封

当阀门的压力等级升高(Class 600和Class 900)时，阀门与管道之间的连接采用凹凸面(Male Face & Female Face，MF)密封形式。MF密封面与垫片配合使用时，垫片处于Female端的凹面内，可以承受升高的压力作用而不被破坏。

2.2.3 榫槽面密封

当阀门的压力等级继续升高(Class 1500)时，阀门与管道之间的连接采用榫槽面(Tongue Face & Groove Face，TG)密封形式。TG密封面与垫片配合使用时，垫片完全处于Groove断面的沟槽的封闭空间内，可以承受更高压力的作用而不被破坏。

2.2.4 环连接面密封

当阀门的压力等级更高(Class 2500) 时，采用环连接面(RJ)密封面连接形式。此时与密封面配合使用的垫片要求相应提高，内环石墨、外环金属缠绕的垫片也需替换为八角金属垫片，这种结构中金属垫片完全嵌在两片法兰之间的密封圈内。

法兰尺寸需根据ASME B16.5中的相关表格确定。以Class 150 法兰为例，需运用ASME B16.5中表4-法兰面尺寸(除RJ形式外的所有压力等级)和表7-150磅法兰钻孔模板来确定法兰的尺寸，包括法兰外径、螺栓孔中心位置、螺栓数量、垫片直径和厚度以及法兰内径。

2.3 ASME B16.10[11-12]

阀门的结构长度对于保证阀门的互换性具有重要意义。更换阀门时，要保证更换不会改变连接管道的长度，不仅要选对阀门的材料、规格、压力等级和端面连接形式，还要选对阀门的结构长度。确定阀门的长度要依据ASME B16.10标准。

ASME B16.10将阀门结构长度分为2类，即其标准名称中给出的面到面尺寸和端到端尺寸。在应用此标准设计阀门长度时，首先需要明确面到面和端到端2个概念的区别和联系。法兰连接阀门的面到面结构长度是末端间即垫片接触表面间的距离。面到面尺寸概念适用于法兰面为平面、突面、凸面及榫面的法兰连接阀门。垫片接触面不位于阀门末端的法兰连接的阀门，其末端间的距离称为端到端结构长度。端到端尺寸概念适用于法兰端面为环连接、凹面及槽面的法兰连接阀门。

ASME B16.10中通过表格(表9)形式提供了各种法兰端面的法兰连接阀门(面到面和端到端)结构长度的确定方法。结合ASME B16.10定义的面到面和端到端概念以及表9的内容进行综合分析可知，端到端阀门的结构比面到面的阀门结构更长。在给定的NPS下，RF和FF密封面形式阀门的长度可以依据某个磅级法兰连接铸铁阀门和某个磅级法兰连接和对焊连接钢制阀门的(面到面和端到端)结构长度通过直接查表(ASME B16.10表2～表8)得到。对于RJ密封面形式的阀门的长度，则需要在查表(ASME B16.10表2～表8)结果的基础上加相应的修正系数得到，修正系数的大小可从ASME B16.10中表10(150～500磅RJ密封面形式的钢制阀门的端到端长度)查到。

2.4 API 6D[13-22]

API 6D是管线阀门标准，全称为《管道及管线阀门规范》，与ISO 14313:2007《石油天然气工业-管线输送系统-管线阀门》等同，该标准是石油天然气工业阀门设计的重要标准，其适用范围包括闸阀、旋塞阀、球阀和止回阀。

在阀门主要设计要素上，API 6D和ASME B16.34有所不同，API 6D中关于阀门尺寸、压力和材料的规定如下。

2.4.1 阀门内径

阀门设计中首先要确定的尺寸是阀门内径。API 6D中以表格(表1)形式提供了全通径阀门最小通径尺寸，此表与ASME B16.34中的表A-1的作用一致，用来确定阀门内径。

为方便文中分析时进行参照，摘取API 6D中表1的部分数据，见表4。

表4 API 6D中全通径阀门最小通径部分数据

比较API 6D中的表1和ASME B 16.34中的表A-1可以看出，2个标准的阀门内径不一致，以4 in Class 900阀门为例，ASME B16.34中查到的阀门内径为98.3 mm，API 6D中查到的阀门最小通径为100 mm，显然API 6D阀门的内径要比ASME B16.34阀门的大。

这是因为API 6D考虑了阀门在石油天然气工业应用中介质和环境的特殊性。当管道和阀门处于输送原油的系统中时，由于原油具有黏性，通常会在管道内壁形成结蜡，为保证管道畅通需用清管器进行清管操作。为保证清管器的顺利通过，用于原油输送系统中的阀门没有缩径阀门，因此API 6D中的阀门尺寸比ASME 16.34中的阀门尺寸大。

2.4.2 阀腔自动泄压

API 6D 中采用了与ASME B16.34基本相同的阀门压力等级和阀门温度等级。不同的是，API 6D规定了阀腔自动泄压要求。阀门在开关过程中，流体介质会进入阀腔，阀腔会存在压力，且随着环境温度升高，阀腔内压力也会升高，但阀腔承受的最高压力不能高于1.33倍的阀门压力。按照自动泄压功能要求，当阀腔内压力高于管道内压力时，阀座离开球体或闸板，将压力泄放到管线中，阀腔超压泄放示意见图2。按照自动泄压功能要求，阀座应为单活塞效应(Single Piston Effect，SPE)类型的阀座。

图2 阀腔超压泄放示图

2.4.3 材料

API 6D 中阀门材料与ASME B16.34保持一致，都采用ASTM材料标准。API 6D阀门许多内部零部件材料为非金属材料，在阀门设计时需要有防火安全的设计。阀座采用2种材料组成，外圈是金属材料、内圈是非金属材料，在出现火灾非金属材料的阀座失效时，金属阀座可以充当第2道密封，以隔绝火情。

2.4.4 阀座

API 6D中阀座结构有2种，分别是单向密封阀座结构和双向密封阀座结构。单向密封阀座结构具有单活塞效应，双向密封阀座结构具有双活塞效应。

单向密封阀座结构见图3，此阀座具有自动泄压功能。当阀门处于关闭状态时，在球体上游的流体介质会聚积并产生压力，使阀座紧靠球体实现密封。中腔压力升高时，中腔压力反推阀座，压缩预紧弹簧，将使下游阀座脱离球体而将超出的压力泄放。这种阀座的布置形式可实现双截断泄放功能(Double Block & Bleed，DBB)。单向密封阀座只对单个方向的流体介质起密封作用，上游流体介质推动阀座向球体运动，产生密封比压，形成密封。下游流体则推动阀座离开球体，产生泄放。阀座对下游流体不起密封作用，以此实现单活塞效应。

图3 阀腔超压时自泄放阀座的单向密封结构

双向密封阀座结构见图4。当阀门在关闭位置且上游阀座失效时，阀腔中的压力因介质充入而增加。阀腔中的压力将激发下游阀座的双活塞效应，使下游阀座与球体之间形成第二道密封。这种阀座的布置形式能实现双隔断泄放功能(Double Isolation & Bleed，DIB)。由以上分析可知，双活塞效应阀座的功能是，对单个阀座来说，无论是阀腔充压还是管道充压，阀座均是抱紧球体。

图4 阀腔超压时双活塞效应阀座的双向密封结构

2种不同阀座组合可实现不同功能，上下游阀座都是SPE阀座时，这种阀门可实现DBB功能；上下游阀座都是DPE时，可实现DIB功能。

3 结语

介绍了石油天然气工业3种最常用的ASME阀门标准和1种API阀门标准，分析比较了各标准在阀门结构尺寸、压力等级、材料选择以及阀座结构形式等方面的应用要点，可为相关技术人员提供参考。需要说明的是，随着社会经济的发展和科学技术的进步，标准和规范也在不断修订和完善中，要全面了解和深入掌握不同时期ASME和API标准的要求及其细微差异，还需要深入研读标准原文。