閥門的種類多種多樣，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。天然氣管道常用的閥門主要有管道球閥、平板閘閥、旋塞閥、強(qiáng)制密封閥等，其中以管道球閥應(yīng)用最為廣泛。

管道球閥的發(fā)展

管道球閥經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上形成兩大流派。一派以美國Cameron公司為代表，采用全焊接球狀閥體結(jié)構(gòu)。屬于這一流派的有德國的BORSIG公司和Schuck公司，美國的Larsen&Toubro公司，日本的KITZ公司TIX公司，TUBOTA公司，以及俄羅斯的Tyazhpromarmatuva公司。另一流派以意大利的Grove公司為代表，采用非提示筒狀結(jié)構(gòu)和在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全焊接筒狀閥體結(jié)構(gòu)。同屬于這一類的有意大利的NuovoPignone公司，PCC公司，PERAR公司，PIBIVIESSE公司，B.F.E公司，F(xiàn)CT公司，美國的PBV公司以及捷克的Czechoslovikia公司。

美國Cameron公司產(chǎn)品的技術(shù)特征是：全焊接球狀閥體，尼龍或PTFE密封材料，可轉(zhuǎn)動閥座，上下閥桿軸支撐，進(jìn)口端密封，出口端腔體壓力自動向下游段泄放。該公司在五十年代就完成了全焊接球形閥體結(jié)構(gòu)，以其高可靠性廣泛應(yīng)用于油氣長輸管道中，如美國阿拉斯加原油輸送管道。

意大利Grove公司生產(chǎn)的球閥以雙活塞效應(yīng)，防爆橡膠O型圈或PTFE密封材料，支撐板支軸球結(jié)構(gòu)，分體式閥體，便于維修，廣泛應(yīng)用于油氣長輸管道的場站和增壓站。其后發(fā)展的圓筒狀或準(zhǔn)圓筒狀全焊接閥體球閥在長輸管道中亦用作緊急切斷閥。在某些需要在線維修的場合，可以選用上裝式結(jié)構(gòu)管線球閥。在其后的發(fā)展過程中，上述兩種技術(shù)互相借鑒，互相交融。Cameron公司的Dynaseal370系列產(chǎn)品極為分體式結(jié)構(gòu)，與全焊接閥體產(chǎn)品配套銷售；Grove公司也推出準(zhǔn)球狀的全焊接閥體結(jié)構(gòu)在主管線中獲得應(yīng)用。而其他公司如TIX，TITZ則吸收兩大流派的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)各自制造工藝特點(diǎn)，推出球狀全焊接閥體，雙活塞效應(yīng)，橡膠密封材料的管道球閥產(chǎn)品，綜合了各流派的技術(shù)優(yōu)勢。

管道球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

1、閥體

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)制造工藝較簡單，便于裝配定位，返修容易實(shí)施，坯件制造所需模具簡單，費(fèi)用相對較低，而且方便采用支撐板對球體進(jìn)行固定。但重量大，材料成本高。同時由于多采用雙焊縫，焊接過程熱輸入量大，殘余應(yīng)力復(fù)雜，軸向和徑向變形大。在閥門安裝在管線上后，閥體承受極大地管道應(yīng)力和管線載荷，同時由于安裝誤差、底層運(yùn)動和熱變應(yīng)力等因素影響，產(chǎn)生的外力和扭矩是相當(dāng)大的，厚度比較大的圓柱形閥體能夠更可靠的承受管線載荷，不易產(chǎn)生變形。球形閥體結(jié)構(gòu)受力狀況優(yōu)于筒形

閥體結(jié)構(gòu)，抗彎曲、抗擠壓能力強(qiáng)，閥體設(shè)計(jì)壁厚小，重量輕，結(jié)構(gòu)整體性能好，但其制造工藝相對復(fù)雜，在閥內(nèi)做球體支撐不易實(shí)施，一次性開模費(fèi)用較高，但批量生產(chǎn)成本低于筒狀結(jié)構(gòu)閥門。目前，球狀閥體結(jié)構(gòu)有三種焊接形式：第一種是兩縱兩環(huán)焊接形式，Cameron公司的全焊接球閥即使這種焊接形式。這種結(jié)構(gòu)閥體成型所需模具相對較為簡單，模具費(fèi)用低，但焊縫多，焊接變形大，裝配定位難度大，T字形焊縫容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。第二種球形閥體結(jié)構(gòu)是，左右兩個閥體為球形，中間為圓柱形，三體通過兩道對稱縱向焊縫組焊而成，這種結(jié)構(gòu)工藝性較好，便于返修和發(fā)干部分的安裝，對于大口徑全焊接球閥尤為適合，目前新比隆公司等采用此種結(jié)構(gòu)。第三種是采用單條焊縫焊接的閥體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在由于工藝技術(shù)進(jìn)步，采用左右閥體熱鍛壓成型，在中間單焊縫焊接成型，焊縫少，減少先能量輸入，降低軸向和徑向變形，且焊縫遠(yuǎn)離閥座，焊接熱不易損傷閥座，因此可以以較高的焊接電流和速度進(jìn)行焊接，此種結(jié)構(gòu)閥體成型需要專門模具，模具費(fèi)用相對較高，如一次裝配試驗(yàn)不成功，

返修比較困難，目前Schuck等公司采用此種結(jié)構(gòu)。

分體式結(jié)構(gòu)又分為側(cè)裝式和頂裝式兩種。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)行類比設(shè)計(jì)，其連接強(qiáng)度必須防止管道盈利而產(chǎn)生連接松弛，使密封失效。閥體與連接體面對面接觸，中間無間隙。密封必須滿足失火安全要求，采用橡膠“O”型圈與纏繞式金屬墊組合密封。但是隨著近年來全焊縫閥體技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)逐漸取代了具有外漏危險(xiǎn)的分體式結(jié)構(gòu)。

閥體的材料為鍛件，溫度-29°以上選用ASTM A105；-25°以下選用ASTM A350 LF2。對于焊接閥體，對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。鍛件按三級鍛件標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，做100%無損探傷，焊縫處做著色檢查和超聲波探傷。

2、閥座及密封

閥座密封結(jié)構(gòu)是全焊接球閥的關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響球閥的密封性能和使用壽命，為確保其密封性能的可靠性和30年以上使用壽命的要求，通常在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取以下措施：

（1）雙活塞效應(yīng)的雙密封閥座結(jié)構(gòu)

雙活塞效應(yīng)是指在這種結(jié)構(gòu)里，閥座與球體密封中心與發(fā)作密封圈的中心在一個圓柱面上，如圖所示，閥座支撐圈和閥座密封圈均為可以移動的活塞，同時具有兩個活塞。所謂雙密封座，是指就一個閥座而言，在兩個方向均能實(shí)現(xiàn)密封的閥座結(jié)構(gòu)。即當(dāng)上游介質(zhì)壓力高于中腔壓力時，介質(zhì)壓力會推動閥座密封圈向球體移動，使上游側(cè)推力與中腔側(cè)推力形成△P的壓力差，從而使閥座與球體抱得更緊，增加密封比壓，滿足密封要求，也就是當(dāng)上游壓力高時能夠?qū)崿F(xiàn)密封；當(dāng)中腔壓力高于上游壓力時，中腔壓力會把閥座密封圈推向上游側(cè)，而改變閥座上下游側(cè)的受力面積，使中腔介質(zhì)推動閥座支撐圈的推力大于上游側(cè)介質(zhì)推動閥座支撐圈的推力，形成△P的壓力差，這個壓力差仍然使閥座與球體抱得更緊，實(shí)現(xiàn)密封。所以這種結(jié)構(gòu)無論上游側(cè)壓力高還是下游側(cè)壓力高，閥座都會緊緊抱緊球體，滿足密封需要，因此叫雙密封閥座。

（2）自泄壓式的單密封閥座結(jié)構(gòu)

如圖所示，這種結(jié)構(gòu)的閥座密封圈是固定的，只有閥座支撐圈可以移動，因此，這種結(jié)構(gòu)又稱作單活塞效應(yīng)閥座。該結(jié)構(gòu)閥座密封圈到閥門中心的距離A大于閥座與球體接觸點(diǎn)到閥門中心的距離B，當(dāng)上游壓力高于閥腔壓力時，上游壓力會把閥座支撐圈推向球體，使閥座和球體緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)密封。當(dāng)中腔壓力高于上游或者下游壓力時，中強(qiáng)壓力將把閥座支撐圈推離球體，是閥座和球體脫離接觸，從而使中腔壓力得以向低壓的上游或者下游泄放。

雙活塞效應(yīng)的雙密封閥座結(jié)構(gòu)對全焊接球閥來說是一種非常有效地密封結(jié)構(gòu)。由于要求確保30年使用壽命的全焊接球閥來說，是非常必要的，因?yàn)樵陂y內(nèi)兩個閥座中，任何一個閥座受損，另一個閥座仍然可以獨(dú)立的起作用，保證密封。而對于自泄壓式的單密封閥座結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)一端閥座損壞后，介質(zhì)會進(jìn)入中腔，中腔壓力將增大，而中腔壓力的增大將會削弱另一端自泄壓閥座的密封能力，當(dāng)中腔壓力高于下游壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時，就會發(fā)生泄露。因此，就密封可靠性而言，雙密封閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)于單密封閥座結(jié)構(gòu)。然而，正因?yàn)殡p活塞效應(yīng)的雙密封閥座結(jié)構(gòu)不會自動泄放中腔介質(zhì)壓力，當(dāng)閥門處于全開全關(guān)位置時，截留于中腔內(nèi)的介質(zhì)可能由于溫度的急劇變化，使閥腔出現(xiàn)異常增壓，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)截留于閥腔內(nèi)的氣體溫度由-30℃上升到70℃時（這種情況可能出現(xiàn)在我國的西北，在嚴(yán)寒的冬天，對閥門進(jìn)行了開關(guān)，此后一直到來年炎熱的夏天，都沒有啟閉過閥門。）閥腔壓力會升高到原來的1.41倍，這種壓力的升高對閥腔來說是不安全的。因?yàn)?，氣體是可壓縮的，溫度升高，對閥腔壓力影響還不是很大；如閥腔充滿的是液體介質(zhì)，因液體的不可壓縮性，溫度升高，閥腔壓力會升高更快。因此為保證閥腔的安全，對兩個閥座均為雙活塞效應(yīng)的雙密封閥座結(jié)構(gòu)的全焊接球閥，必須在閥腔安裝壓力泄放閥，泄放閥的泄放壓力通常設(shè)計(jì)為公稱壓力的1.1~1.33倍，泄放閥的通徑通?！?/2 in。

對于管道球閥閥體的密封方式通常組合密封方式，常用方法主要有下面三種：

（1）初級金屬密封，次級軟密封

金屬密封可以減少管道內(nèi)的雜質(zhì)對軟密封閥座的沖刷和擦傷，延長軟密封閥座的使用壽命，同時金屬密封承擔(dān)了大部分來自管內(nèi)介質(zhì)對閥座支撐圈的推力，使閥座受力減小，避免了軟密封閥座因?yàn)檫^載而受到傷害，金屬閥座采用不低于閥門球體的材質(zhì)。

目前軟密封閥座的形狀主要有兩種，一種是Δ形的，一種是O形的，這兩種形狀的密封所用的材料以VITON AED（抗爆氟橡膠）為主，密封原理和性能一樣。Δ形比O形的制造難度大，但 形閥座的裝配難度小，發(fā)作草的加工難度也小于O形密封槽。國外大部分采用 形密封，少數(shù)企業(yè)采用O形密封，國內(nèi)企業(yè)以Δ形密封為主。

（2）初級金屬密封，第二級尼龍密封，第三級橡膠軟密封

目前國內(nèi)外少數(shù)企業(yè)采用三級密封方式，設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)是考慮到管道有很多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)經(jīng)常會把球面、閥座損壞，造成閥門內(nèi)漏，增加一道尼龍密封，阻擋管道內(nèi)的雜質(zhì)對閥座的沖刷。在閥門開關(guān)過程中，尼龍還起到把球體表面的雜質(zhì)刮掉的作用，從而保護(hù)了第三級的橡膠軟密封，有利于延長閥門的使用壽命。但這種結(jié)構(gòu)的尼龍閥座裝配難度比較大，如不采取有效措施，在閥門開關(guān)過程中，尼龍閥座會從閥座槽中脫離出來。再有由于安裝空間所限，尼龍閥座不可能做得比較寬，這樣尼龍閥座很可能因過載而加速損壞，影響其實(shí)際效果。

（3）尼龍閥座密封結(jié)構(gòu)

目前有少數(shù)企業(yè)如Cameron等采用尼龍閥座密封結(jié)構(gòu)。尼龍、增強(qiáng)四氟、PEEK等密封材料常用于分體式高壓球閥，在全焊接球閥中并不常使用，因?yàn)檫@些材料相對于viton等氟橡膠類材料來說，比較硬，材料的承壓能力強(qiáng)，但回彈性差，容易受到管道內(nèi)的焊渣、鐵銹、沙子等雜質(zhì)的擦傷、沖刷，其補(bǔ)償性能差，使用壽命難以得到保證，Cameron為提高閥門的使用壽命，采用了旋轉(zhuǎn)閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，位于閥門3、9點(diǎn)鐘位置的閥座，在閥門開啟過程中，最先與介質(zhì)接觸，最容易受到介質(zhì)的沖刷，為使閥座能均勻受損，在閥門每開關(guān)一次，閥座旋轉(zhuǎn)一定角度，有利于延長閥門的使用壽命。但這種結(jié)構(gòu)大大增加了啟閉力矩，對長期不啟閉的閥門，更容易出現(xiàn)卡死。

另外，以上三種密封方式常與具有緊急密封作用的注脂系統(tǒng)一起使用。該系統(tǒng)由注脂閥和止回閥組成，分別安裝于閥體外側(cè)的閥座部位和閥桿填料函外徑上。該系統(tǒng)是一種補(bǔ)救措施，可以在緊急狀態(tài)下阻止或減少管線閥門密封座的泄露，將閥門的徹底維護(hù)延遲到下一個預(yù)定的管線關(guān)閉期。注脂之前，需要對閥座密封部位進(jìn)行沖洗，且在此過程中閥門需打開15度左右三至四次，以徹底清潔球體與閥座的接觸面。注脂后，要測試密封效果。

3、閥桿及密封

閥桿密封結(jié)構(gòu)也是全焊接球閥的關(guān)鍵技術(shù)之一，此處密封性能若出現(xiàn)問題，介質(zhì)就會外漏，造成環(huán)境污染、引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重后果，因此務(wù)必高度重視。圖所示結(jié)構(gòu)是目前比較常用、也比較有效的一種閥桿密封結(jié)構(gòu)，它由兩道O型圈構(gòu)成兩道密封防線，輔以一道柔性石墨密封，保證了密封的可靠性。柔性石墨密封在發(fā)生火災(zāi)時可以有效地減少介質(zhì)的外漏。

有人將兩道O型圈密封分開，當(dāng)閥桿密封出現(xiàn)泄漏時，可以對外層密封在帶壓情況下進(jìn)行檢修更換，這種結(jié)構(gòu)更加先進(jìn)、合理。國外部分設(shè)計(jì)在閥桿密封處采用一道O型圈、一道柔性石墨、一道彈簧制動密封圈結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將三種不同密封材料的優(yōu)點(diǎn)，集合在一起，形成全天候、滿足多工況的密封要求。O型圈回彈性好，密封可靠，但耐高溫、低溫性能差，抗老化性能差；柔性石墨耐高溫性能好，回彈性差，密封不是很可靠；彈簧制動密封圈是一種U形PTFE內(nèi)置特殊彈簧的高性能密封圈，由適當(dāng)?shù)膹椈闪由舷到y(tǒng)流體壓力，將密封面頂出而壓在被密封的金屬面以產(chǎn)生非常優(yōu)異的密封效果，聚四氟乙烯抗老化、耐低溫，適用介質(zhì)廣泛，彈簧的推力可以彌補(bǔ)密封面的磨損及閥桿表面的微觀不平，是密封更長效、更可靠，這種結(jié)構(gòu)特別適合于含硫天然氣項(xiàng)目。

4、球體與支承軸

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。對于大口徑，高壓力級閥門球體，應(yīng)作球體變形計(jì)算，這種變形足以引起密封失效。

球體的支撐結(jié)構(gòu)有兩種，一種是以支撐板支撐球體，閥桿和球體是獨(dú)立的，介質(zhì)推力通過支撐板傳遞到閥體上，閥桿不承受介質(zhì)推力，這種結(jié)構(gòu)可以大大降低閥門的啟閉力矩，有效保護(hù)閥桿密封，基本上筒形結(jié)構(gòu)閥體都采用這種結(jié)構(gòu)。另一種結(jié)構(gòu)多用在球形結(jié)構(gòu)閥體上，球體的支撐靠上下閥桿，通過上下閥桿將介質(zhì)推力傳遞到閥體上，這種結(jié)構(gòu)閥桿要承受介質(zhì)的推力，因此啟閉力矩大，閥桿受力會加速閥桿密封的磨損。

5、防火結(jié)構(gòu)

管道閥門需要具有火災(zāi)安全功能，則其結(jié)構(gòu)必須為防火型，而其防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮：閥座的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥桿防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥體與左右體結(jié)合面的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，閥座的防火性能良好，在火災(zāi)事故狀態(tài)下，可減輕閥桿防火結(jié)構(gòu)、閥體與左右體之間防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。目前常用的方法就是在閥桿及閥座支撐圈部分都加設(shè)了石墨密封，石墨密封耐高溫性能好，在發(fā)生火災(zāi)的時候可以有效地減少介質(zhì)的外漏，具有良好的防火作用。

6、防靜電設(shè)計(jì)

由于球體及閥桿與非金屬材料接觸和摩擦，產(chǎn)生靜電，因此在閥桿上/下位置設(shè)置導(dǎo)靜電彈簧，將靜電導(dǎo)通至閥體，并按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使球體與閥體及閥桿與球體之間在12VDC以下，電阻值在10歐姆以下。

7、DBB功能設(shè)計(jì)

DBB（雙截?cái)嗪团欧牛┕δ茉O(shè)計(jì)是指無論是閥門處于開啟狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，閥腔泄壓排放時，上游端和下游端閥座應(yīng)同時截止，并允許從排泄閥處對在線閥門進(jìn)行閥座密封性能測試，而不影響管線運(yùn)行。

8、其他設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如放空、排污、注脂、吊耳等，國內(nèi)外沒有差異。