大口徑油氣管線固定球球閥四閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張明

中國(guó)石油西部管道公司

管線輸送是當(dāng)代油氣輸送的主要方式之一,利用長(zhǎng)距離管線輸送油氣資源已成為當(dāng)今世界能源輸送的主要手段.主要油氣生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)大都采用長(zhǎng)輸管線來解決油氣資源的運(yùn)輸問題,其中,天然氣95%以上采用管線輸送方式.油氣介質(zhì)屬易燃、易爆物類,且輸送壓力很高,加之長(zhǎng)輸管線一般途經(jīng)地理環(huán)境復(fù)雜、氣候惡劣、環(huán)境溫度變化大的區(qū)域,且管線投運(yùn)后,要求能夠長(zhǎng)期連續(xù)安全可靠運(yùn)行[1].

管線球閥屬于管道輸送系統(tǒng)中關(guān)鍵且使用數(shù)量較大的設(shè)備,同時(shí)也是出現(xiàn)各類問題最多的設(shè)備.管線球閥在管道系統(tǒng)中起著控制隔斷和聯(lián)通的作用,閥門內(nèi)漏導(dǎo)致關(guān)閉不嚴(yán),對(duì)管線作業(yè)和管道運(yùn)行的安全可造成嚴(yán)重后果,因內(nèi)漏更換閥門導(dǎo)致運(yùn)行調(diào)整、停輸、放空等經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)高于閥門自身的價(jià)值[2-3].因此,長(zhǎng)輸管線閥門比通用閥門要求具有更高的安全可靠性、密封性和足夠的強(qiáng)度及剛性,以確保長(zhǎng)輸管線安全可靠運(yùn)行[4].國(guó)內(nèi)有些惡劣的油氣輸送介質(zhì)及較差的施工質(zhì)量常導(dǎo)致常規(guī)閥座球閥密封失效,如西部管道公司近3年西二三線西段和雙蘭線更換了近百臺(tái)關(guān)鍵位置的閥門.

目前,國(guó)內(nèi)外油氣管道用管線閥門多為常規(guī)閥座的固定式全焊接球閥,按閥體型式主要有筒形閥體和球形閥體兩種,但閥座型式是一致的,為一個(gè)閥門設(shè)計(jì)兩個(gè)閥座,即上游和下游各一個(gè)閥座,如圖1所示.閥門通過球體轉(zhuǎn)動(dòng)到關(guān)閉位置時(shí),球體的球面與閥座的密封面之間形成的接觸實(shí)現(xiàn)管道介質(zhì)的隔斷和隔離,閥門內(nèi)漏的可能性主要集中發(fā)生在閥座密封上.

圖1 常規(guī)管線球閥Fig.1 Conventional line ball valve

1 四閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球閥的結(jié)構(gòu)和閥座的密封決定了閥門內(nèi)漏的可能性,拆解長(zhǎng)輸油氣管線內(nèi)漏球閥,進(jìn)一步驗(yàn)證閥座密封失效的主要原因[5],對(duì)閥門可靠性、密封性和長(zhǎng)久使用壽命起著十分重要的作用,故閥座密封是閥門設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié).

1.1 組成

常規(guī)固定球球閥的閥座只有2個(gè),無論采用雙活塞效應(yīng)閥座(DPE)還是單活塞效應(yīng)閥座(SPE)[6-7],閥座均易受到破壞而失效.提出四閥座結(jié)構(gòu)即閥體左、右兩側(cè)分別設(shè)計(jì)2個(gè)閥座,4個(gè)閥座形成串聯(lián)式工作效應(yīng),各個(gè)閥座工作相對(duì)獨(dú)立,均起到密封作用.其基本組成如圖2所示.

1.2 工作原理

第1階段:初始工作狀態(tài)下閥門處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)閥門從左端進(jìn)壓時(shí),壓力推動(dòng)上游第一級(jí)閥座壓向球體,即閥座A1(圖3)密封,閥座A2、B1、B2不起密封作用.

圖2 四閥座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the four-valve-seat structure

圖3 A1閥座密封Fig.3 A1 valve seat seal

第2階段:當(dāng)閥座A1損壞時(shí),即閥座A1泄漏,壓力推動(dòng)閥座A2壓向球體,閥座A2開始起密封作用(圖4),閥座B1、B2不起密封作用.

圖4 A2閥座密封Fig.4 A2 valve seat seal

第3階段:當(dāng)閥座A1、閥座A2同時(shí)損壞時(shí),壓力進(jìn)入中腔,閥座B2產(chǎn)生雙活塞效應(yīng),即閥座B2在壓力作用下推向球體,閥座B2開始起密封作用(圖5),閥座B1不起密封作用;

圖5 B2閥座密封Fig.5 B2 valve seat seal

第4階段:當(dāng)閥座A1、閥座A2、閥座B2同時(shí)損壞時(shí),若閥座B1為單活塞效應(yīng),即自泄壓,閥座B1不起密封作用;但若B1閥座采用雙活塞效應(yīng)的閥座(僅可用于輸氣),仍可實(shí)現(xiàn)密封,如圖6所示.

圖6 B1閥座泄壓或密封Fig.6 B1 valve seat relief or seal

以上分析表明,四閥座球閥任何1個(gè)或2個(gè)乃至3個(gè)閥座失效都不會(huì)影響閥門正常工作,從而使閥門的整體密封功能更可靠,密封性能得到加強(qiáng),設(shè)備擁有更長(zhǎng)的使用壽命[8].

1.3 閥體強(qiáng)度計(jì)算

四閥座球閥比常規(guī)管線球閥具有更大閥體尺寸,作為管線閥門必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度,材料的選用應(yīng)充分保證與相應(yīng)管道、管件之間的適配性和可焊性.

管線閥門設(shè)計(jì)通常按照技術(shù)協(xié)議和API 6D-2014《管線和管道閥門規(guī)范》的要求進(jìn)行.承壓件的最小壁厚,在API 6D-2014中規(guī)定了若干可采用的標(biāo)準(zhǔn),如:ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第Ⅷ部份、ANSI/ASME B16.34等規(guī)范.不論按哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),應(yīng)能保證閥門在API 6D-2014中要求的1.5倍額定壓力的閥體強(qiáng)度試驗(yàn)壓力.當(dāng)對(duì)于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度試驗(yàn)壓力不足1.5倍額定壓力時(shí),應(yīng)提升計(jì)算壓力,直到該強(qiáng)度試驗(yàn)壓力與API 6D-2014中要求的1.5倍額定壓力保持一致.

式中:p計(jì)算為采用的標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算壓力,MPa;p為閥門的額定壓力,MPa;N為采用的標(biāo)準(zhǔn)中殼體水壓力強(qiáng)度試驗(yàn)與計(jì)算壓力的比值(具體數(shù)值按所采用標(biāo)準(zhǔn)確定).

1.4 閥門轉(zhuǎn)矩

與常規(guī)兩閥座球閥不同,四閥座球閥的轉(zhuǎn)矩會(huì)有所加大.首先,四閥座球閥為了保證閥門在關(guān)閉時(shí),4個(gè)閥座能夠同時(shí)處于與球面的密封接觸,并能夠讓球體保持足夠的剛性以便保證密封零泄漏,因此球體會(huì)比常規(guī)球閥大,增加了摩擦半徑;其次,四閥座存在大小閥座、密封型式以及活塞效應(yīng)之分,因此每個(gè)閥座密封摩擦力不同,貢獻(xiàn)的閥門轉(zhuǎn)矩也不同,通常在活塞效應(yīng)差距不大時(shí),尺寸大的內(nèi)閥座貢獻(xiàn)的轉(zhuǎn)矩最大;最后,4個(gè)閥座在彈簧預(yù)緊力的作用下同時(shí)對(duì)球面產(chǎn)生推力,其預(yù)緊轉(zhuǎn)矩為4個(gè)閥座之和,比常規(guī)球閥的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩要大1倍.總體轉(zhuǎn)矩提升在可接受范圍之內(nèi).

閥門在執(zhí)行器選型上,應(yīng)按閥門供應(yīng)商提供的閥門轉(zhuǎn)矩乘以安全系數(shù)進(jìn)行選型,在較大口徑閥門的執(zhí)行器選型上可能會(huì)增大型號(hào).

2 四閥座特點(diǎn)

2.1 構(gòu)建隔離密封陣列

四閥座球閥閥體兩側(cè)分別設(shè)計(jì)2個(gè)緊鄰閥座,面積差使壓力介質(zhì)作用在閥座上的力加上彈簧力形成足夠大的密封壓力可推動(dòng)閥座抱緊球體,閥座軟密封產(chǎn)生的彈塑性變形實(shí)現(xiàn)密封[9],兩側(cè)4個(gè)閥座形成隔離密封陣列,當(dāng)且僅當(dāng)連續(xù)3個(gè)閥座(最后閥座為SPE)或4個(gè)閥座(最后閥座為DPE)失效,才會(huì)出現(xiàn)泄漏(圖7),構(gòu)建的隔離密封陣列極大地降低了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)和概率.

2.2 閥座多種組合

四閥座球閥每個(gè)閥座都能相對(duì)獨(dú)立地完成密封作用,閥座有多種組合方式的選擇,可采用金屬密封與復(fù)合密封、軟密封與復(fù)合密封等多種組合密封方式,以適應(yīng)不同介質(zhì)、不同工況的要求.

2.3 外側(cè)閥座集密封與清潔一體

當(dāng)外側(cè)閥座完好時(shí),將起到截?cái)嘟橘|(zhì)實(shí)現(xiàn)密封的作用;若外側(cè)閥座損傷,能持續(xù)為內(nèi)側(cè)密封閥座提供保護(hù)作用,即充當(dāng)介質(zhì)沖刷的屏障,同時(shí)也在閥門開關(guān)過程中對(duì)球面預(yù)先清潔[10];當(dāng)采用單活塞的內(nèi)側(cè)閥座時(shí),為封閉的閥座間內(nèi)壓提供超壓保護(hù),如圖8所示.

圖7 隔離密封陣列Figu.7 Isolation seal array

圖8 閥座密封與清潔一體Fig.8 Integrated valve seat seal and cleaning

2.4 獨(dú)有封閉注脂腔

內(nèi)外兩級(jí)閥座為獨(dú)立結(jié)構(gòu),在預(yù)緊彈簧作用下與球面緊密貼合,從而形成嚴(yán)密的封閉環(huán)形腔體,獨(dú)有的封閉注脂腔使注入的密封脂不會(huì)向閥門通道中流失.緊急情況下,通過注脂能夠形成可靠的緊急注脂密封,消除普通球閥密封脂流失進(jìn)通道,保證了密封效果.獨(dú)有的封閉注脂腔如圖9所示.

圖9 封閉注脂腔Fig.9 Closed grease chamber

2.5 壓力緩沖區(qū)設(shè)計(jì)

閥門在開啟上游壓力接通之前,內(nèi)側(cè)閥座已實(shí)現(xiàn)密封面前后的平衡.全壓開啟時(shí),外側(cè)閥座為內(nèi)側(cè)閥座提供壓力緩沖帶,如圖10所示,大大提高內(nèi)側(cè)閥座的抗沖擊能力[11-12].

圖10 閥座緩沖保護(hù)Fig.10 Valve seat cushion protection

3 結(jié)論與建議

(1)四閥座固定球閥利用多個(gè)閥座形成隔離密封陣列,具有普通兩閥座固定球閥所不具備的性能,提供了一種旨在提高閥門密封可靠性的全新解決方案,為推動(dòng)管線球閥技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步提供了一種創(chuàng)新思路.大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用,將為長(zhǎng)輸油氣管線截?cái)嚅y的選型提供較理想的選擇.

(2)基于管道安全考慮,關(guān)鍵位置線路截?cái)嗲蜷y建議選用四閥座管線球閥(ESD),如線路閥室截?cái)嚅y、進(jìn)出站及越站緊急關(guān)斷球閥、壓縮機(jī)進(jìn)出口截?cái)嚅y、西二三線聯(lián)絡(luò)閥等;對(duì)于輸油管道,在閥座活塞效應(yīng)基礎(chǔ)上改用輸油四閥座球閥可提高管道系統(tǒng)的安全可靠性.