天然气管道阀门技术探讨及结构特点.pdf

天然气管道阀门技术探讨及结构特点天然气管道阀门技术探讨及结构特点 二〇一〇年十月 1 目录目录 第一章第一章 概述概述 ....................................................................................................................................1 第二章第二章 国内外管道阀门的发展现状国内外管道阀门的发展现状.............................................................................................3 2.1 天然气管道发展趋势对阀门的影响.................................................................................3 2.1.1 天然气管道建设趋势..............................................................................................3 2.1.2 天然气管道的输送工艺..........................................................................................4 2.2 天然气管道输送对管道阀门的要求.................................................................................6 第三章第三章 天然气管道常用阀门天然气管道常用阀门.........................................................................................................8 3.1 管道球阀.............................................................................................................................8 3.1.1 管道球阀的发展......................................................................................................8 3.2.2 管道球阀的结构特点及工作原理..........................................................................8 3.2 旋塞阀...............................................................................................................................14 3.2.1 概述........................................................................................................................14 3.2.2 旋塞阀结构特点及工作原理................................................................................14 3.3 平板闸阀...........................................................................................................................16 3.3.1 平板闸阀结构特点................................................................................................16 3.3.2 平板闸阀安装要求................................................................................................17 3.4 强制密封阀门...................................................................................................................17 3.4.1 强制密封阀的发展................................................................................................18 3.4.2 强制密封阀门的结构及工作原理........................................................................18 第四章第四章 天然气管道阀门的发展方向及市场前景天然气管道阀门的发展方向及市场前景.......................................................................21 4.1 天然气管道阀门的发展方向...........................................................................................21 4.2 天然气管道阀门的市场前景...........................................................................................21 2 第一章第一章 概述概述 大力发展低碳经济， 应对全球气候变化的挑战， 已经成为新世纪世界经济发展的主要潮 流。 中国作为世界最大的发展中国家中经济发展最快的国家和世界主要经济实体之一， 已经 决定 2020 年将单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降 4045，这必然要求进一 步转变发展方式，调整能源结构。天然气作为一种低碳、高效、廉价、安全的清洁能源，储 量十分丰富，发展前景广阔，天然气将继续作为世界能源发展的重要热点，得到持续快速发 展，在今后相当长的一段时期内成为中国能源发展的最大亮点。 2009 年 10 月在阿根廷召开的第 24 届世界天然气大会上，与会专家和学者肯定了天然 气在低碳经济世界发展中的作用， 扩大天然气利用是应对全球变暖的现实选择， 是化石能源 向新能源过度的桥梁，并指出，二十一世纪是天然气世纪，是发展“低碳经济”的世纪，主 要表现在以下几点一是天然气资源丰富，可保障储量产量的持续增长，国际天然气联盟专 家认为，根据对天然气的认识和非常规天然气的预测，天然气供给可保障未来 80100 年的 消费增长需求。二是天然气需求旺盛，天然气在应对全球经济危机、气候变化和供应安全方 面可以成为“全能型”化石燃料，2030 年天然气产量将增加 30，在一次能源消费结构中 由 24上升到 28。三是天然气是所有化石能源中最为清洁的燃料，是发展“低碳经济” 的能源支撑， 是化石能源向新能源发展的桥梁。 四是技术进步可以促进非常规天然气的有效 开发，天然气价格相对较低，更能为社会所接受，得到广泛应用。五是天然气供需的刚性增 长，将拉动投资增长，国际天然气联盟专家评估，在 2030 年前，为使天然气供应量增加 1.6 万亿立方米，天然气上中下游价值链系统的投资将达到 10 万亿美元，进而拉动经济增长。 天然气工业的快速发展推动了天然气管道的建设。 作为连接气源和市场的纽带， 管道以 其输送能力强大、调度灵活、多向调节的特点，提高了天然气供应的抗风险能力。加快天然 气管网及配套设施建设，提高配送灵活性，规划建设好干线、支线和联络线，将直接关系到 经济的稳定发展和人民生活水平的提高。用管道输送油气，其成本是铁路运输的 1/3，海上 运输的 2/3，不仅经济效益显著，而且对于缓解交通运输压力，保障能源输送安全都能发挥 不可替代的作用。目前，世界已经形成了一些跨洲、跨国的大型输气管网，总长度超过 千米。其中美国干线管道总长千米，国土面积 916 万平方公里，干线管 道密度达 0.05 千米管道/平方公里国土；欧洲干线管道总长千米，面积 1016 万平 衡公里，干线密度达 0.015 千米管道/平方公里国土。而截止 2008 年底，我国天然气干线长 4 10150 4 1049 4 106 .15 1 4 101 . 3千米，国土面积 960 万平方公里，干线密度为 0.0033 千米管道/平方公里国土，是 美国的 1/15，是欧洲的 1/5，发展空间巨大。为了改变这一状况，根据我国的能源建设规划， 今后一段时期，我国的石油、天然气管道布局将建成主干、支线和复线 20 多条，其线路之 长，投资规模之大，工程建设项目之多，预示着我国的管道工业建设已经蓄势待发。 天然气管道建设推动了管道阀门的发展。阀门特别是管道球阀、旋塞阀、强制密封阀等 是管道工业的主要设备之一， 它在管道运输中起着安全和可靠运行的关键作用。 今后很长一 段时间内，随着我国输油、输气管道的提速发展，其需求量将有数十倍的增加。同时，随着 世界天然气管道建设向长距离、大口径、高压力和网络化发展，对管道阀门的设计研究和生 产加工又提出了新的要求， 管道阀门的开发和制造需要不断改进和完善， 以适应天然气管道 发展的需要。 2 第二章第二章 国内外管道阀门的发展现状国内外管道阀门的发展现状 国内外阀门设计技术的基础主要根植于传统的机械设计、材料力学、流体力学等的基 础上。阀门的核心要求就是在满足工况条件下正常工作，确保密封。为达到这个基本要求， 国外的阀门工程师们在 100 多年前开始了一项伟大的工作制定阀门设计和制造标准， 他 们所累积的成果就是我们今天阀门设计的基础依据， 随着社会的进步、 科技的发展和市场的 导向，阀门的制造标准也在不断更新。许多阀门虽然在早期就已经开发，但是直到近 20 年 来才得到飞速的发展，归根结底，就是市场的需求和工业制造水平的不断完善所致，比如 大口径高压管线球阀、 高位耐冲刷轨道球阀等在当今的流体控制领域得到了飞速发展。 除此 之外，阀门产业格局也从过去集中在欧美发达国家、从单一工厂大而全模式，逐步发展为阀 门产业全球化、专业行强的模式，形成阀门产业分工细化，注重应用、行业鲜明、专业突出、 产业配套的大格局。最近 10 年来，全球工程项目的旺盛需求，以及全球经济一体化的趋势， 推动了阀门产业的大发展、大转移，尤其是中国阀门制造业在产能、设计、制造、质量控制 等方面得到了空前的提高和发展。 2.1 天然气管道发展趋势对阀门的影响 2.1.1 天然气管道建设趋势天然气管道建设趋势 当前世界的输气管道建设发展的总趋势是长运距、大口径、高压力和网络化，逐步 形成大型的供气系统，向极地和海洋延伸。 1、长运距 世界天然气资源丰富，但是分布不均衡，大型气田大都远离消费中心，同时国际天然 气贸易量迅速增加，这些都促使全球输气长距离管道建设的发展。1946 年前苏联建成第一 条长距离输气管道，该管道起点萨拉托夫，终于莫斯科，管径 325 毫米，长 788 千米，输气 压力为 7.5 兆帕。 1986 年建设的美国阿拉斯加输气管道， 纵贯加拿大并延伸到美国本土中西 部地区，管道总长度 7764 千米。我国西气东输一线干线长为 3840 千米。 2、大口径和高压力 一般来说，在输气量可以准确预测的情况下，建设一条高压大口径管线比平行建几条 低压小管线更为经济，因为输气管线的输送能力与管道直径的 2.4 次方成正比，所以，增大 管径是提高管道输送能力的最有效措施。例如，一条 914 毫米直径的管道其输气能力是 304 3 毫米直径的管道的 17 倍；一条直径为 1420 毫米，输送压力为 7.5 兆帕的输气管道可以代替 3 条直径为 1000 毫米，输送压力为 5.5 兆帕的管道，并且前者可以节省投资 35，节约钢 材 19。苏联是世界上首先大量采用 1020 毫米以上输气管道的国家，1962 年初输气干线的 最大管径为 1020 毫米，其总长度为 1276 千米，到 1975 年 1020 毫米、1220 毫米、1420 毫 米大口径输气干线的合计长度占全苏联天然气输气干线总长度的比例由 1962 年的 5增至 39.2。目前，为增加输气量，降低输气成本，新建输气干线中大中口径的管道的比例逐渐 上升。全球天然气管道直径在 1000 毫米以上的超过千米。陆上输气管道工作压力 一般为 7.58.0 兆帕， 阿拉斯加输气管道美国东部支线的工作压力为 10 兆帕， 穿越西西里海 峡的阿意输气管道最大工作压力 15 兆帕。我国西气东输二线采用 1219 毫米管径，12 兆帕 和 10 兆帕设计压力。输气管道向更高压的方向发展是一个趋势，在一定程度上反映了一个 国家输气管道的技术水平。 4 1012 3、跨国贸易日益活跃，输气干线网络化、全球化 随着天然气需求量在世界范围内的剧增，将进一步促进干线输气管道和地区性管网的 建设。建设输气管网，使输气系统网络化，已经成为世界天然气储运的主要发展趋势之一。 自六十年代以来， 随着天然气产量和贸易量的增长及消费市场的扩大， 已先后形成了一些洲 际的、国际的、全国性的和地区性的大型输气管网，通过由若干输气干线、多个集气管网、 配气管网和地下储气库构成，将多个气田与成千上万的用户连接起来。多气源、多通道，保 证供气系统的可靠性和灵活性。前苏联的统一供气系统，向东西欧地区供气，是当今世界上 规模最大的天然气输送管网，连接了数百个气田、数十座地下储气库及 1500 多个城市，管 道总长已经超过千米。整个欧洲是世界上输气管道密度最大的地区，欧洲的输气管 网已从北海延伸到地中海， 从东欧边境的中转站延伸到大西洋， 阿意输气管道的建成实际上 已将欧洲的管网与北非连接起来了。 而阿尔及利亚西班牙的输气管道最终将延伸到葡萄 牙、法国和德国，与欧洲输气管网连成一体。此外，中国第一条跨国陆上天然气管道中 亚天然气管道已经建成。 大量跨国输气管道的相继建成并与原有的大输气管网并网， 将会形 成全球统一的输气管网系统。 4 1030 2.1.2 天然气管道的输送工艺天然气管道的输送工艺 20 世纪 8090 年代是油气管道技术发展的成熟期，各项技术飞速发展。目前世界范围 内的管道工程建设呈现出国际合作的趋势， 管道的设计、 建设、 运营管理更加注重成本效益， 4 新技术的开发不断涌现。 1、采用大口径、高压输送技术 一般来说，在输气量可以准确预测的情况下，建设一条高压大口径管线比平行建设几 条低压小管线更为经济。国外干线天然气管道直径一般在 1000 毫米以上，例如，苏联通往 欧洲的干线天然气管道直径为 1420 毫米， 著名的阿意输气管道直径为 1220 毫米， 同时国外 大口径管道的施工技术也非常成熟。西欧和北美地区的天然气管道压力普遍都在 10 兆帕以 上，像阿意输气管道最高出站压力达 21 兆帕（穿越点处） ，挪威 Statepipe 管道输气压力为 13.5 兆帕，新近建成的 Alliance 管道最大许用运行压力为 12 兆帕。我国西气东输一线，直 径为 1016 毫米，压力为 10 兆帕。西气东输二线，直径为 1219 毫米，压力为 12 兆帕。 2、采用高级钢材料 采用高级钢材料可以减少壁厚，减轻重量，缩短焊接时间，降低焊接工艺，大大降低 材料的消耗量和建设成本。 3、管道减阻技术 国外输气管道采用内涂层后一般能提高输气量 610， 同时还可以有效减少设备的磨 损和清管次数，延长使用寿命。我国西气东输管道在国内首次采用减阻技术，据报道，采用 该技术后科节省 3 座压气站，节省投资 7 亿元，每年节省运行费用 1.55 亿元，还可以减少 清管次数，缩短管道干燥时间，减少管壁物质沉积等。 4、高压富气输送工艺技术 富气输送工艺是指输入管道前只将天然气中的水、硫化物和部分液体脱掉，而将乙烷、 丙烷、丁烷等重烃气（凝析液的主要成分）保留在天然气中一起以气态单项输送的工艺，富 气输送工艺是含凝析液的湿天然气管输工艺的一种。 管道采用富气输送工艺时由于压力高热 值也较普通干气输送的天然气高， 减压波速很低， 这样就要求材料具有较高的防止脆性断裂 和延性裂纹扩展的韧性， 因此断裂控制是富气输送工艺的关键技术。 对富含凝析液的天然气 采用富气输送技术将会产生巨大的经济效益。 主要是因为 富气输送管道中的天然气总热值 的提高， 使管道的输送效率得到提高； 随着乙烷等重烃气组分的增加使管输天然气的密度增 加， 这使得天然气的压缩系数降低， 即天然气更容易压缩， 因此压缩机需求的功率就会降低， 相应的燃料消耗也会降低，运行成本降低，废气排放减少。 另外，现代天然气管道输送还需要完善调峰技术，提高压缩机组功率，完善管道输送 技术软件等。 5 2.2 天然气管道输送对管道阀门的要求 长输管线是全球性的，是一条能源供给线，从北极圈到赤道，从高山到海底，从高原 到沙漠，其间穿过地震带、沼泽地、冻土层、江河、湖泊、山坡。有架设的，有直埋地下， 在野外操作，维修困难，要求 30 年使用寿命。一般输送原油、天然气，虽经处理但含硫， 含铁锈及金属颗粒，且要求零级密封，实际的使用环境恶劣和能源供给线的重要性，以及不 断发展的天然气管道工业，对管线阀门提出了严格的技术要求。 1、强度和韧性 阀门除了承受内部介质压力之外， 尚需承受地基承载， 由于环境温度变化而引起的轴向 拉力和压力，考虑滑坡，地面沉降，洪水而引起的外部载荷，在寒带及冰冻地区尚需考虑材 料低温冲击韧性，防止低温脆性断裂。对于全焊接阀体球阀，焊缝及热影响区，需要按照断 裂力学理论，考虑其断裂韧性CTOD。 2、零级的密封要求 阀门要求零级密封， 以确保对下游端管线的有效截断， 考虑介质中金属颗粒对零级密封 的影响， 金属对金属密封作为初级密封,PTFE/橡胶对金属作为次级密封,以及一旦密封失效 时应采取紧急密封措施。 3、具备失火安全和防静电功能； 管线球阀设计需考虑失火安全 （fire safe） ,一旦失火， 阀门的外漏和内漏不能超过API607 规定的泄漏标准；球体被非金属材料夹持，可能产生静电，必须与阀体导通，在 24VDC 下， 电阻值10 欧姆。 4、DBB 功能（Double Brock Bleed） 在阀腔排泄时，上游端阀座和下游端阀座应同时自动切断，以确保排放时的安全。 5、防止阀腔压力的夹持 无论阀门处于开启或关闭位置，均应防止介质在阀腔中被夹持，如果介质可能夹持，则 对于气体介质或液体介质均要确保自动泄放阀腔内的压力， 阀腔压力泄放的最大值不超过阀 压力额定值的 1.33 倍，外部压力泄放阀的口径为 DN15 或更大。 6、排泄 阀腔的介质可以排泄；并通过此排泄孔对阀门进行在线密封检测。 7、位置指示 无论手动或动力驱动，要有明显的阀位指示表明阀门处于开启位置或关闭位置； 6 8、传动链 传动链的设计扭矩至少应为球阀最大扭矩的 2 倍。 9、硫化工况 承压部件及螺栓材料应具有抗应力裂化的能力，符合 NACE,MR 0175 要求. 10、紧急切断功能 长距离管道输送系统采用卫星监控系统（SCADA System），当管线压降速率或持续时 间达到某一设定值，阀门应紧急切断； 11、考虑地下水的电位腐蚀和应力腐蚀. 采用全焊阀体结构，管道阴极接地和外表面防腐，来防止电位腐蚀和应力腐蚀。 7 第三章第三章 天然气管道常用阀门天然气管道常用阀门 阀门的种类多种多样，应用范围相当广泛。天然气管道常用的阀门主要有管道球阀、 平板闸阀、旋塞阀、强制密封阀等，其中以管道球阀应用最为广泛。 3.1 管道球阀 3.1.1 管道球阀的发展管道球阀的发展 管道球阀经过半个多世纪的发展，在结构设计上形成两大流派。一派以美国 Cameron 公司为代表，采用全焊接球状阀体结构。属于这一流派的有德国的 BORSIG 公司和 Schuck 公司，美国的 LarsenToubro 公司，日本的 KITZ 公司 TIX 公司，TUBOTA 公司，以及俄罗 斯的 Tyazhpromarmatuva 公司。另一流派以意大利的 Grove 公司为代表，采用非提示筒状结 构和在此基础上发展起来的全焊接筒状阀体结构。同属于这一类的有意大利的 NuovoPignone 公司，PCC 公司，PERAR 公司，PIBIVIESSE 公司，B.F.E 公司，FCT 公司， 美国的 PBV 公司以及捷克的 Czechoslovikia 公司。 美国 Cameron 公司产品的技术特征是全焊接球状阀体，尼龙或 PTFE 密封材料，可 转动阀座，上下阀杆轴支撑，进口端密封，出口端腔体压力自动向下游段泄放。该公司在五 十年代就完成了全焊接球形阀体结构， 以其高可靠性广泛应用于油气长输管道中， 如美国阿 拉斯加原油输送管道。 意大利 Grove 公司生产的球阀以双活塞效应，防爆橡胶 O 型圈或 PTFE 密封材料，支 撑板支轴球结构，分体式阀体，便于维修，广泛应用于油气长输管道的场站和增压站。其后 发展的圆筒状或准圆筒状全焊接阀体球阀在长输管道中亦用作紧急切断阀。 在某些需要在线 维修的场合，可以选用上装式结构管线球阀。 在其后的发展过程中， 上述两种技术互相借鉴， 互相交融。 Cameron 公司的 Dynaseal370 系列产品极为分体式结构，与全焊接阀体产品配套销售；Grove 公司也推出准球状的全焊接 阀体结构在主管线中获得应用。而其他公司如 TIX，TITZ 则吸收两大流派的优点，根据各 自制造工艺特点，推出球状全焊接阀体，双活塞效应，橡胶密封材料的管道球阀产品，综合 了各流派的技术优势。 3.2.2 管道球阀的结构特点及工作原理管道球阀的结构特点及工作原理 1、阀体 8 阀体可分为全焊接阀体设计和分体式阀体设计。 全焊接阀体设计有筒状结构和球状结构，筒状结构制造工艺较简单，便于装配定位， 返修容易实施，坯件制造所需模具简单，费用相对较低，而且方便采用支撑板对球体进行固 定。但重量大，材料成本高。同时由于多采用双焊缝，焊接过程热输入量大，残余应力复杂， 轴向和径向变形大。在阀门安装在管线上后，阀体承受极大地管道应力和管线载荷，同时由 于安装误差、底层运动和热变应力等因素影响，产生的外力和扭矩是相当大的，厚度比较大 的圆柱形阀体能够更可靠的承受管线载荷， 不易产生变形。 球形阀体结构受力状况优于筒形 阀体结构，抗弯曲、抗挤压能力强，阀体设计壁厚小，重量轻，结构整体性能好，但其制造 工艺相对复杂，在阀内做球体支撑不易实施，一次性开模费用较高，但批量生产成本低于筒 状结构阀门。目前，球状阀体结构有三种焊接形式第一种是两纵两环焊接形式，Cameron 公司的全焊接球阀即使这种焊接形式。 这种结构阀体成型所需模具相对较为简单， 模具费用 低，但焊缝多，焊接变形大，装配定位难度大，T 字形焊缝容易产生应力集中。第二种球形 阀体结构是，左右两个阀体为球形，中间为圆柱形，三体通过两道对称纵向焊缝组焊而成， 这种结构工艺性较好，便于返修和发干部分的安装，对于大口径全焊接球阀尤为适合，目前 新比隆公司等采用此种结构。 第三种是采用单条焊缝焊接的阀体结构， 现在由于工艺技术进 步，采用左右阀体热锻压成型，在中间单焊缝焊接成型，焊缝少，减少先能量输入，降低轴 向和径向变形，且焊缝远离阀座，焊接热不易损伤阀座，因此可以以较高的焊接电流和速度 进行焊接，此种结构阀体成型需要专门模具，模具费用相对较高，如一次装配试验不成功， 返修比较困难，目前 Schuck 等公司采用此种结构。 分体式结构又分为侧装式和顶装式两种。一般由阀体和左右连接体组成，连接体与阀 体由螺栓连接，连接法兰厚度与螺栓的连接强度应按与阀体内径相当的法兰进行类比设计， 其连接强度必须防止管道盈利而产生连接松弛，使密封失效。阀体与连接体面对面接触，中 间无间隙。密封必须满足失火安全要求，采用橡胶“O”型圈与缠绕式金属垫组合密封。但 是随着近年来全焊缝阀体技术的快速发展，已经逐渐取代了具有外漏危险的分体式结构。 阀体的材料为锻件， 温度-29以上选用 ASTM A105； -25以下选用 ASTM A350 LF2。 对于焊接阀体，对 A105 或 LF2 材料的化学成分、含碳量、碳当量以及硫、磷等元素应另有 特殊限制。锻件按三级锻件标准验收，做 100无损探伤，焊缝处做着色检查和超声波探伤。 2、阀座及密封 阀座密封结构是全焊接球阀的关键技术，它直接影响球阀的密封性能和使用寿命，为 确保其密封性能的可靠性和 30 年以上使用寿命的要求，通常在结构设计上采取以下措施 9 （1）双活塞效应的双密封阀座结构 双活塞效应是指在这种结构里，阀座与球体密封中心与发作密封圈的中心在一个圆柱 面上，如图 3-1 所示，阀座支撑圈和阀座密封圈均为可以移动的活塞，同时具有两个活塞。 所谓双密封座，是指就一个阀座而言，在两个方向均能实现密封的阀座结构。即当上游介质 压力高于中腔压力时， 介质压力会推动阀座密封圈向球体移动， 使上游侧推力与中腔侧推力 形成的压力差，从而使阀座与球体抱得更紧，增加密封比压，满足密封要求，也就是当 上游压力高时能够实现密封； 当中腔压力高于上游压力时， 中腔压力会把阀座密封圈推向上 游侧， 而改变阀座上下游侧的受力面积， 使中腔介质推动阀座支撑圈的推力大于上游侧介质 推动阀座支撑圈的推力，形成的压力差，这个压力差仍然使阀座与球体抱得更紧，实现 密封。所以这种结构无论上游侧压力高还是下游侧压力高，阀座都会紧紧抱紧球体，满足密 封需要，因此叫双密封阀座。 PΔ PΔ 图图 3-1 双活塞效应的双密封阀座结构双活塞效应的双密封阀座结构 （2）自泄压式的单密封阀座结构 如图 3-2 所示，这种结构的阀座密封圈是固定的，只有阀座支撑圈可以移动，因此，这 种结构又称作单活塞效应阀座。该结构阀座密封圈到阀门中心的距离 A 大于阀座与球体接 触点到阀门中心的距离 B， 当上游压力高于阀腔压力时， 上游压力会把阀座支撑圈推向球体， 使阀座和球体紧密结合，实现密封。当中腔压力高于上游或者下游压力时，中强压力将把阀 座支撑圈推离球体， 是阀座和球体脱离接触， 从而使中腔压力得以向低压的上游或者下游泄 放。 双活塞效应的双密封阀座结构对全焊接球阀来说是一种非常有效地密封结构。由于要 求确保 30 年使用寿命的全焊接球阀来说，是非常必要的，因为在阀内两个阀座中，任何一 个阀座受损，另一个阀座仍然可以独立的起作用，保证密封。而对于自泄压式的单密封阀座 结构来说，当一端阀座损坏后，介质会进入中腔，中腔压力将增大，而中腔压力的增大将会 10 图图 3-2 自泄压式的单密封阀座结构自泄压式的单密封阀座结构 削弱另一端自泄压阀座的密封能力， 当中腔压力高于下游压力达到设计值时， 就会发生泄露。 因此，就密封可靠性而言，双密封阀座结构优于单密封阀座结构。然而，正因为双活塞效应 的双密封阀座结构不会自动泄放中腔介质压力， 当阀门处于全开全关位置时， 截留于中腔内 的介质可能由于温度的急剧变化，使阀腔出现异常增压，经计算，当截留于阀腔内的气体温 度由-30℃上升到 70℃时（这种情况可能出现在我国的西北，在严寒的冬天，对阀门进行了 开关， 此后一直到来年炎热的夏天， 都没有启闭过阀门。 ） 阀腔压力会升高到原来的 1.41 倍， 这种压力的升高对阀腔来说是不安全的。因为，气体是可压缩的，温度升高，对阀腔压力影 响还不是很大；如阀腔充满的是液体介质，因液体的不可压缩性，温度升高，阀腔压力会升 高更快。 因此为保证阀腔的安全， 对两个阀座均为双活塞效应的双密封阀座结构的全焊接球 阀，必须在阀腔安装压力泄放阀，泄放阀的泄放压力通常设计为公称压力的 1.11.33 倍，泄 放阀的通径通常in 2 1 ≥。 对于管道球阀阀体的密封方式通常组合密封方式，常用方法主要有下面三种 （1）初级金属密封，次级软密封 金属密封可以减少管道内的杂质对软密封阀座的冲刷和擦伤，延长软密封阀座的使用 寿命，同时金属密封承担了大部分来自管内介质对阀座支撑圈的推力，使阀座受力减小，避 免了软密封阀座因为过载而受到伤害，金属阀座采用不低于阀门球体的材质。 目前软密封阀座的形状主要有两种，一种是Δ形的，一种是 O 形的，这两种形状的密 封所用的材料以 VITON AED（抗爆氟橡胶）为主，密封原理和性能一样。Δ形比 O 形的制 造难度大，但形阀座的装配难度小，发作草的加工难度也小于 O 形密封槽。国外大部分 采用形密封，少数企业采用 O 形密封，国内企业以 Δ ΔΔ形密封为主。 （2）初级金属密封，第二级尼龙密封，第三级橡胶软密封 目前国内外少数企业采用三级密封方式，设计这种结构是考虑到管道有很多杂质，这 11 些杂质经常会把球面、阀座损坏，造成阀门内漏，增加一道尼龙密封，阻挡管道内的杂质对 阀座的冲刷。在阀门开关过程中，尼龙还起到把球体表面的杂质刮掉的作用，从而保护了第 三级的橡胶软密封，有利于延长阀门的使用寿命。但这种结构的尼龙阀座装配难度比较大， 如不采取有效措施，在阀门开关过程中，尼龙阀座会从阀座槽中脱离出来。再有由于安装空 间所限，尼龙阀座不可能做得比较宽，这样尼龙阀座很可能因过载而加速损坏，影响其实际 效果。 （3）尼龙阀座密封结构 目前有少数企业如 Cameron 等采用尼龙阀座密封结构。尼龙、增强四氟、PEEK 等密封 材料常用于分体式高压球阀，在全焊接球阀中并不常使用，因为这些材料相对于 viton 等氟 橡胶类材料来说，比较硬，材料的承压能力强，但回弹性差，容易受到管道内的焊渣、铁锈、 沙子等杂质的擦伤、冲刷，其补偿性能差，使用寿命难以得到保证，Cameron 为提高阀门的 使用寿命，采用了旋转阀座结构设计，位于阀门 3、9 点钟位置的阀座，在阀门开启过程中， 最先与介质接触，最容易受到介质的冲刷，为使阀座能均匀受损，在阀门每开关一次，阀座 旋转一定角度，有利于延长阀门的使用寿命。但这种结构大大增加了启闭力矩，对长期不启 闭的阀门，更容易出现卡死。 另外，以上三种密封方式常与具有紧急密封作用的注脂系统一起使用。该系统由注脂 阀和止回阀组成， 分别安装于阀体外侧的阀座部位和阀杆填料函外径上。 该系统是一种补救 措施， 可以在紧急状态下阻止或减少管线阀门密封座的泄露， 将阀门的彻底维护延迟到下一 个预定的管线关闭期。注脂之前，需要对阀座密封部位进行冲洗，且在此过程中阀门需打开 15 度左右三至四次，以彻底清洁球体与阀座的接触面。注脂后，要测试密封效果。 3、阀杆及密封 阀杆密封结构也是全焊接球阀的关键技术之一，此处密封性能若出现问题，介质就会 外漏，造成环境污染、引发火灾等严重后果，因此务必高度重视。图所示结构是目前比较常 用、也比较有效的一种阀杆密封结构，它由两道 O 型圈构成两道密封防线，辅以一道柔性 石墨密封，保证了密封的可靠性。柔性石墨密封在发生火灾时可以有效地减少介质的外漏。 有人将两道 O 型圈密封分开，当阀杆密封出现泄漏时，可以对外层密封在带压情况下进行 检修更换，这种结构更加先进、合理。国外部分设计在阀杆密封处采用一道 O 型圈、一道 柔性石墨、一道弹簧制动密封圈结构，这种结构将三种不同密封材料的优点，集合在一起， 形成全天候、满足多工况的密封要求。O 型圈回弹性好，密封可靠，但耐高温、低温性能差， 抗老化性能差；柔性石墨耐高温性能好，回弹性差，密封不是很可靠；弹簧制动密封圈是一 12 种 U 形 PTFE 内置特殊弹簧的高性能密封圈，由适当的弹簧力加上系统流体压力，将密封 面顶出而压在被密封的金属面以产生非常优异的密封效果，聚四氟乙烯抗老化、耐低温，适 用介质广泛，弹簧的推力可以弥补密封面的磨损及阀杆表面的微观不平，是密封更长效、更 可靠，这种结构特别适合于含硫天然气项目。 4、球体与支承轴 球体的加工精度，圆度，化学镀镍，镀层厚度高于阀座的镀层。对于大口 径，高压力级阀门球体，应作球体变形计算，这种变形足以引起密封失效。 mm005. 0≤ 球体的支撑结构有两种，一种是以支撑板支撑球体，阀杆和球体是独立的，介质推力 通过支撑板传递到阀体上，阀杆不承受介质推力，这种结构可以大大降低阀门的启闭力矩， 有效保护阀杆密封， 基本上筒形结构阀体都采用这种结构。 另一种结构多用在球形结构阀体 上，球体的支撑靠上下阀杆，通过上下阀杆将介质推力传递到阀体上，这种结构阀杆要承受 介质的推力，因此启闭力矩大，阀杆受力会加速阀杆密封的磨损。 5、防火结构 管道阀门需要具有火灾安全功能，则其结构必须为防火型，而其防火结构的设计应主 要考虑阀座的防火结构设计，阀杆防火结构设计，阀体与左右体结合面的防火结构设计。 其中，阀座防火结构设计是关键，阀座的防火性能良好，在火灾事故状态下，可减轻阀杆防 火结构、 阀体与左右体之间防火结构设计的难度。 目前常用的方法就是在阀杆及阀座支撑圈 部分都加设了石墨密封， 石墨密封耐高温性能好， 在发生火灾的时候可以有效地减少介质的 外漏，具有良好的防火作用。 6、防静电设计 由于球体及阀杆与非金属材料接触和摩擦，产生静电，因此在阀杆上/下位置设置导静 电弹簧，将静电导通至阀体，并按照标准规定，使球体与阀体及阀杆与球体之间在 12VDC 以下，电阻值在 10 欧姆以下。 7、DBB 功能设计 DBB（双截断和排放）功能设计是指无论是阀门处于开启状态还是关闭状态，阀腔泄 压排放时， 上游端和下游端阀座应同时截止， 并允许从排泄阀处对在线阀门进行阀座密封性 能测试，而不影响管线运行。 6、其他设计结构 其他结构设计如放空、排污、注脂、吊耳等，国内外没有差异。 13 3.2 旋塞阀 3.2.1 概述概述 管道旋塞阀是用于长输天然气管线及场站控制系统的切断阀门，是一种满足天然气管 线特殊要求的专用阀门。要求阀门具有适应恶劣的环境，30 年以上的使用寿命，双向零泄 漏，耐火和防静电，耐酸性介质腐蚀，以及操作省力等特殊技术性能。目前，国内天然气管 线及场站控制系统使用的旋塞阀全部采用进口的倒装平衡式油密封旋塞阀。 3.2.2 旋塞阀结构特点及工作原理旋塞阀结构特点及工作原理 倒装平衡式油密封管道旋塞阀采用倒装阀芯压力平衡式油密封结构。包括阀体、阀盖、 阀杆、旋塞体、联轴平衡环、阀杆密封组件和安装件。 1、阀体 阀体采用倒钟式结构，整体铸造，强度高，刚性好，受力均匀，阀体、阀门质量中心 与管道中心基本重合，操作稳定性好。阀体密封锥面采用高速精磨加工，并经研磨后表面粗 糙度小于 Ra0.8。 2、旋塞 旋塞采用倒装式旋塞，整体锻造，精密机械加工并研磨后表面粗糙度可达 Ra0.4。旋塞 表面采用