四 設(shè)計(jì)理念

    管線球閥的設(shè)計(jì)理念*根本的是安全和可靠性。無(wú)論是長(zhǎng)輸管線或者是城市管網(wǎng)都是能源的供給線，是一條國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈線。全球性的地下輸油、輸氣管線和管網(wǎng)，就象地上輸配電網(wǎng)一樣，是城市工業(yè)和民用賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，沒(méi)有這條能源供給線，現(xiàn)代化城市功能立即停止。

    長(zhǎng)輸管線嚴(yán)酷的自然條件，從北極圈-70C°到赤道沙漠＋70 C°的溫度；經(jīng)受地震、地基沉降，泥石流，滑坡，洪水等自然災(zāi)害；地下水的電位腐蝕，含硫介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕等均是造成事故的誘發(fā)因素。城市管網(wǎng)爆炸已常見(jiàn)不鮮，自然災(zāi)害而造成的管線破壞也常有報(bào)道，如漢城城市天然氣管網(wǎng)破裂引起大火，在國(guó)內(nèi)如1984年鐵秦管線，因連日暴雨，秦皇島大石河水庫(kù)開(kāi)閘，沖斷輸油管線，3000噸原油流入大海；1996年馬惠線，環(huán)江上游洪水暴發(fā)，沖斷管線，1000噸原油泄漏。根據(jù)《Pipeline》雜志，Sealweld公司估計(jì)，一只36”管線球閥的價(jià)格約45，000～65，000美元，故障需排盡上游端和下游端管線的天然氣損失約50，000～100，000美元。因此，管線球閥的設(shè)計(jì)和制造，對(duì)安全性和可靠性的強(qiáng)調(diào)，無(wú)論如何亦不為過(guò)分。而且這一理念應(yīng)貫徹在產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工藝規(guī)范，零件加工，型式試驗(yàn)，產(chǎn)品試驗(yàn)，質(zhì)量控制，售后服務(wù)的全過(guò)程。

    五 設(shè)計(jì)

    1 閥體

    可分為全焊接閥體設(shè)計(jì)和分體式閥體設(shè)計(jì)。

    全焊接閥體設(shè)計(jì)有筒狀結(jié)構(gòu)和球狀結(jié)構(gòu)，筒狀結(jié)構(gòu)是雙焊縫，焊接過(guò)程熱量輸入大，殘余應(yīng)力復(fù)雜，軸向和徑向變形大。球狀結(jié)構(gòu)Cameron公司是四條焊縫拼接，現(xiàn)在由于工藝技術(shù)進(jìn)步，采用左右閥體熱鍛壓成型，可中間單焊縫焊接成型，減少線能量輸入，降低軸向和徑向變形。

    分體式結(jié)構(gòu)一般由閥體和左右連接體組成。連接體與閥體由螺栓連接，連接法蘭厚度與螺栓的連接強(qiáng)度應(yīng)按與閥體內(nèi)徑相當(dāng)?shù)姆ㄌm進(jìn)行類(lèi)比設(shè)計(jì)，其連接強(qiáng)度必須防止管道應(yīng)力而產(chǎn)生連接松弛，使密封失效。閥體與連接體面對(duì)面接觸，中間無(wú)間隙。密封必須滿(mǎn)足失火安全要求，采用橡膠“O”型圈與纏繞式金屬墊組合密封。如圖（五）所示。

圖（五）閥體與連接體防火結(jié)構(gòu)    閥體的材料為鍛件，溫度-29C°以上選用ASTM A105；-29C°以下選用ASTM A350 LF2。對(duì)于焊接閥體，對(duì)A105或LF2材料的化學(xué)成分、含碳量、碳當(dāng)量以及硫、磷等元素應(yīng)另有特殊限制。鍛件按三級(jí)鍛件標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，做100％無(wú)損探傷，焊縫處做著色檢查和超聲波探傷。圖（六）組合密封結(jié)構(gòu)

    2 密封座與密封

    閥座采用組合密封結(jié)構(gòu)，即金屬對(duì)金屬的初始“密封”，以阻擋固體顆粒的進(jìn)入；用橡膠、PTFE塑料、尼龍、PEEK等軟密封作為次級(jí)密封，以保證“零”級(jí)泄漏，如圖（六）所示。但由于管線中的異物的意外導(dǎo)入對(duì)軟密封材料的損壞，管線球閥均設(shè)有緊急密封劑的注入系統(tǒng)，以獲得暫時(shí)性的密封要求。

    密封用的橡膠圈有圓形，三角形或其他特殊形狀。每一公司都有自己的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝措施，防止橡膠圈在開(kāi)關(guān)過(guò)程中被吹出（Blow out）或切壞。對(duì)于Class900磅級(jí)以上，應(yīng)選用防爆降壓（AED）特性的材料作為O型圈材料。圖（七）壓力自泄放密封座結(jié)構(gòu)

    PTFE的密封圈，一般采用筒狀鑲嵌式結(jié)構(gòu)，亦可做成倒鉤狀組合式結(jié)構(gòu)，旨在保證密封圈不被吹出而導(dǎo)致密封失效。

    密封座材料與閥體材料相同，化學(xué)鍍鎳，有彈簧加載以保證初始密封比壓，彈簧可采用螺旋彈簧，板彈簧或碟形彈簧，材料為Inconel X－750。

    進(jìn)口端和出口端閥座采用對(duì)稱(chēng)雙向密封設(shè)計(jì)。這種活塞式的介質(zhì)自密封結(jié)構(gòu)，按照客戶(hù)需要可設(shè)計(jì)成“單活塞效應(yīng)”（Single piston action），壓力自泄放密封座結(jié)構(gòu)（圖七）和“雙活塞效應(yīng)”（Double Piston effect）雙重密封結(jié)構(gòu)。（圖八）

圖（八）“雙活塞效應(yīng)”（Double Piston effect）雙重密封結(jié)構(gòu)

    單活塞效應(yīng)即進(jìn)口端密封，出口端腔體壓力自動(dòng)排放。

    5 DBB功能設(shè)計(jì)

    DBB功能設(shè)計(jì)是指無(wú)論是閥門(mén)處于開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)，閥腔泄壓排放時(shí)，上游端和下游端閥座應(yīng)同時(shí)截止（Double Block & Bleed），并允許從排泄閥處對(duì)在線閥門(mén)進(jìn)行閥座密封性能測(cè)試，而不影響管線運(yùn)行。

    6 緊急密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    緊急密封系統(tǒng)由注射器（Injector）和止回閥（Check Valve）組成，分別安裝在閥體上，在閥座處的外測(cè)和閥桿填料處外側(cè)。緊急密封系統(tǒng)可以用來(lái)阻止或減少管線中閥門(mén)密封座的泄漏，密封劑注射前要進(jìn)行清潔和沖洗，有專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)的清潔劑和密封脂，用手動(dòng)或電動(dòng)的工具將清洗劑或密封脂從注射器口注入，并按供貨商所提供的使用說(shuō)明進(jìn)行清潔和緊急密封操作。（如圖十）

    雙活塞效應(yīng)即進(jìn)口端、出口端同時(shí)密封，無(wú)論是氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)，腔體必須設(shè)有安全閥，以保證壓力泄放。

    單活塞效應(yīng)和雙活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)的閥座，其腔體壓力排放是有區(qū)別的。雙活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)是腔體壓力超過(guò)壓力等級(jí)相應(yīng)的壓力值的1.33倍時(shí)排放，且排放至大氣環(huán)境。而單活塞效應(yīng)的設(shè)計(jì)則是只要腔體壓力大于下游端管線壓力就自動(dòng)排放至下游管線。因此，一般公司把單活塞效應(yīng)產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，雙活塞效應(yīng)產(chǎn)品作為選項(xiàng)產(chǎn)品。

    設(shè)置安全閥時(shí)，安全閥口徑應(yīng)≥1/2”，泄放壓力≤1.33倍額定壓力。閥座與連接體配合處應(yīng)有失火安全設(shè)計(jì)，與閥座配合處連接體內(nèi)表面應(yīng)局部化學(xué)鍍鎳。

    3 球體與支承軸

    管線球閥口徑（2”或2”以上）大都采用支承球、浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)（Trunnion mounted Ball ａnd Floating Seat）。作用在球體上的介質(zhì)力有兩個(gè)滑動(dòng)軸承支撐，對(duì)于高壓、大口徑，這一軸向推力可達(dá)到幾十噸至幾百?lài)�，滑�?dòng)軸的比壓必須進(jìn)行計(jì)算，其許用比壓不能超過(guò)供貨商提供的滑動(dòng)軸套許用比壓。許多公司都用不銹作為基體，內(nèi)襯PTFE塑料，這種軸承套承載比壓可達(dá)200～400Mpa，許用比壓取100～200Mpa，且摩擦系數(shù)低，可降低球閥的操作扭矩。

    支承軸的設(shè)計(jì)，一種是在球上車(chē)削成上下軸頸，并用二個(gè)上下支撐板支承，中間內(nèi)置由PTFE內(nèi)襯的不銹鋼軸套，支承軸長(zhǎng)度L與軸頸d之比，由于結(jié)構(gòu)限制取L/d=0.4~0.8。另一種設(shè)計(jì)是球體車(chē)削成內(nèi)孔，上下由二個(gè)支承軸，支承在閥體上，這種設(shè)計(jì)一般L/d=1.2~2.。這二種結(jié)構(gòu)，前者由于軸頸粗而短，所以球閥的阻力矩較大，而后者的上支承軸，同時(shí)又是傳動(dòng)扭矩的閥桿，所以是處于復(fù)合的受力狀態(tài)，支承軸（閥桿）的材料可選用ANSI 4140并需化學(xué)鍍鎳。閥桿與球體扭矩的傳遞可用單鍵、雙鍵、花鍵連接，亦有直接連接裝配后與球體焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

    球體的加工精度，圓度≤0.005mm，化學(xué)鍍鎳，鍍層厚度高于閥座的鍍層。

    對(duì)于大口徑，高壓力級(jí)閥門(mén)的球體，應(yīng)作球體變形計(jì)算，這種變形足以引起密封失效。

    4 閥桿與填料

    標(biāo)準(zhǔn)的閥桿安全設(shè)計(jì)應(yīng)防止在工作壓力下被“吹出”，閥桿上防吹出的凸緣處置一環(huán)狀環(huán)，以減少摩擦系數(shù)。填料可采用二級(jí)“O”形圈密封，亦可采用皮碗形用PTFE加工的填料，并有失火安全石墨填料和緊急狀態(tài)下外部密封劑的注入系統(tǒng)。在閥桿與球體接合部以及閥桿與閥體接觸處應(yīng)有一防靜電機(jī)構(gòu)，防止靜電在球體上集聚，如圖（九）所示。

　　
圖（九）閥桿與填料結(jié)構(gòu)

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司