天然氣長輸管道全焊接球閥設計理念及維護保養

劉 博

(中國石化天然氣分公司)

利用長距離管線輸送油及天然氣等資源已成為當今世界能源輸送的最主要手段。其中天然氣高壓大口徑全焊接球閥在天然氣管道中具有舉足輕重的作用，其控制著管線中介質的流向，調節介質的流量和壓力，保護管道和設備。全焊接球閥具有流體阻力小、節省能源、流向不受限制及啟、閉快等優點，其綜合技術性能均比相同用途的截止閥、旋塞閥和蝶閥優越，是長輸管線的首選閥門。筆者對全焊接球閥的設計理念和維護保養方法進行了介紹。

1 全焊接球閥的設計理念

1.1 閥座及其密封

閥座是閥門設計中最重要的環節，對閥門的密封可靠性、使用壽命和操作靈活性有著重要作用。為使閥門更加密封，閥座采用金屬+VITON AED(抗爆氟橡膠)雙重密封混合設計，金屬采用硬度不低于閥門球體的材料，但應考慮其與球體密封面間的硬度差；VITON AED的硬度為95～98 Shore A。一般情況下，當輸送介質為氣體時，閥座為雙活塞效應(Double Piston Effect，DPE)結構；當輸送介質為液體時，閥座為單活塞效應(Single Piston Effect，SPE)結構，中腔自動泄壓。當兩端閥座都采用DPE結構或都采用SPE結構時，無介質流向要求；當一端為SPE結構，另一端為DPE結構時，對介質流向有要求，上游應為SPE，下游為DPE。

對于采用多重復合密封的閥座結構，初級密封由金屬-金屬密封提供，金屬密封由球體和閥座的高精度加工和表面處理保證；第二級密封由嵌入閥座的軟密封環提供。高壓力情況下，可增加閥座保護環，提高密封可靠性，同時保護后級密封，延長閥門使用壽命，這也是管線球閥閥座結構設計的發展趨勢。閥座與球體之間由彈簧和介質壓力保證始終壓緊。閥門帶有密封脂注入裝置，可以在需要的情況下向閥座與球體之間注入密封脂。

1.2 球體與軸承

球體的剛性是影響閥門在高壓條件下密封性能的重要因素。所有的球體、閥座支承及閥桿等有轉動的內件表面采用表面處理，通常要求進行化學鍍鎳處理，使轉動部位的表面具有足夠的鍍層厚度和硬度。旋轉接觸面均采用PTFE(聚四氟乙烯)復合軸承，操作扭矩小，使用壽命長，操作輕便、可靠。

1.3 閥桿與填料

閥桿的結構特征：閥桿純扭剪結構設計，閥桿只承受純扭剪作用，這樣可以使閥桿密封不會因偏心而產生集中區域的過度磨損，延長閥門的使用壽命；多重密封，具備防火、防靜電和防閥桿噴出結構設計。第一重密封為O形密封圈組合密封，填料為VITON AED；第二重密封為防火密封環，填料為膨脹石墨；第三重密封為O形密封圈密封，填料為VITON AED。閥門為防閥桿噴出的結構，可以在帶壓情況下更換閥桿第三重密封。

1.4 緊急密封——注脂系統

注脂系統由注脂閥和止回閥組成，注脂閥安裝在閥體外側的閥座部位，止回閥安裝在閥桿填料函外徑上。該系統可以用來阻止或減少管線閥門密封座的泄漏，是一種補救措施，將閥門的徹底維護延遲到下一個預定的管線關閉期。

當閥座與球體的接觸表面由于磨損、老化和異物產生損害時，注入合適的密封脂，可以暫時阻止或減少泄漏。注脂前需要對閥座密封部位進行沖洗，且在此過程中閥門需開、關15°，左右各3～4次，以此徹底清潔球體與閥座的接觸面。注脂后，需要測試密封效果。

1.5 防火與防靜電結構

要使球閥具有火災安全功能，其結構必須為防火型。防火結構主要包括閥座防火結構、閥桿防火結構和閥體與左、右體結合面的防火結構。其中閥座防火結構設計是關鍵，閥座防火性能良好，在火災事故狀態下，可減輕閥桿防火結構和閥體與左、右體之間防火結構的設計難度。

由于球體、閥桿與非金屬材料接觸、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。標準規定球體與閥體、閥桿與閥體之間產生的靜電必須小于12V，電阻值不大于10Ω。

2 影響全焊接球閥使用壽命的因素

影響全焊接球閥使用壽命的主要因素如下：

a. 選材。球閥閥體、閥內件材料全部采用鍛件，避免了鑄造材料的砂眼、氣孔及疏松等缺陷；所有的球體、閥座支承及閥桿等有轉動的內件表面采用化學鍍鎳，鍍層厚度需大于75μm，鍍鎳后硬度大于650HV；密封件采用氟橡膠(AED)，其具有不分解及耐腐蝕等優良性能，可延長球閥的使用壽命；閥桿和球體的旋轉接觸面均采用不銹鋼塑料復合材料的軸承，操作扭矩小，使用壽命長，操作輕便、可靠。

b. 壁厚的設計計算。閥體等承壓件的壁厚按ASME標準計算后，加大腐蝕余量對承壓件壁厚進行取值，最終壁厚應大于ASME標準的最小壁厚要求，并利用三維軟件進行有限元應力分析、抗彎曲測試分析和抗擠壓測試分析，充分保證了球閥的抗彎曲、抗擠壓、長壽命和在不同自然環境下安全運行的要求。

c. 密封結構。彈性密封面的抗沖蝕設計通過變形吸收沖蝕能量，然后再將其返彈，從而降低沖刷和磨損，滿足延長使用壽命的要求。全焊接球閥的法蘭與上閥桿壓蓋焊接連接，沒有密封零件，無防火要求。

d. 加工工藝。全焊接球閥焊接采用自動埋弧焊機，實現了法蘭、壓蓋處的自動焊接，統一了焊接參數，焊接效率高，焊縫質量好。球體加工是利用數控磨球機采用包絡線磨球成型工藝對所有球體進行最終精加工，球體表面粗糙度低、圓度精度高、誤差小；閥座支承采用數控機床與專用工裝相結合的加工工藝，精度高，互換性好。上述獨特的加工工藝使閥座組件精度高，閥桿、球體旋轉接觸表面粗糙度低、精度高，充分保證了球閥的密封性能、低扭矩、長使用壽命和操作輕便、可靠。

國內生產的球閥在選材、設計、密封結構及加工工藝等方面的嚴格要求，充分保證了球閥優良的密封性能和三十年以上的使用壽命。

3 全焊接球閥維護保養

全焊接球閥無日常維護要求，對于排污和注脂操作應遵循如下要領：

a. 閥門的排污必須按計劃進行，只有在清洗管線后、水壓試驗后和在寒冷季節來臨前才進行。排污時閥門必須處于全關或全開位置，緩慢擰松排污閥的閥芯，直到閥腔壓力全部泄放、排污完畢，然后擰緊閥芯。

b. 閥門正常運行時不應對閥座和閥桿進行注密封脂，僅當閥門出現輕微內漏或緊急情況(如失火后)時才注入密封脂臨時輔助密封。閥座注脂時需將閥門處于全開/關位置，先注入清洗液清洗注脂通路和密封區，保持1～2h后將閥門朝關/開方向扳動3～5°再次注入清洗液，然后將閥門扳回原位，保持1～2h后再用高壓注脂槍將密封脂注入。

4 結束語

筆者歸納了全焊接球閥的結構設計要點和維護保養要領，其在選材、壁厚的設計計算、密封結構和加工工藝方面的嚴格要求，充分保證了球閥優良的密封性能和三十年以上的使用壽命，為我國能源產業由大轉強、實現科學發展和可持續發展提供重要保障。