管线球阀与管道工业
 

　　管线球阀是固定球球阀的一种，是球阀一个最重要的发展。过去常常将“管线球阀” 一词与“固定球球阀” 一词相混用，将“管线球阀”不恰当地称之为 “固定球球阀”。其实，管线球阀的全称，应该是长距离输送系统管线球阀(long distance pipeline trans¬portation system pipeline ball valve)，简称管线球阀。
 

　　这是从产品的服务对象而言。而“固定球球阀” 一词是指这种阀门的结构，球体被支持在转轴中心。另外，也不适宜将管线(pipeline) —词译为管道 (pipe),而称之为管道球阀。产品的国际标准名称是 ISO14313-2007《石油和天然气工业一管线输送系统一管线阀门》，这一名称就是解读。管线阀门有球阀、闸阀、旋塞阀、止回阀，是满足长距离管线输送的特殊要求，具备特殊功能的专用阀门，对于球阀，则称之为管线球阀。规范该产品的美国石油学会标准是API 61>-2008第23版《管线阀门规范》与ISO14313等同。
 

　　3.4.1管道工业与管线球阀
 

　　1914年，条9 km长的输油管线在美国中部建成，从此拉开管道的工业发展的序幕。用管道来输 送原油、天然气，其成本是海上运输、油轮和液化天然气船舶运输成本的2/3，是油罐列车陆上运输的 1/3。所以近百年来获得飞跃的发展。根据《Pipe- line》杂志2000年统计，已建成的管线260X 104km,其中输油管线80X104km，输气管线140X104km,成品油管线40 X104km。并且每年以3X104km的速度增加，输油输气管线是一条跨国能源供给线，是一条生命线。的管线如美国阿拉斯加输油管线(图3-19)从北部普拉德赫海湾至南 部瓦尔迪兹港全长1300km，管径48in，穿北极圈，
 

　　冻土层，高山和峡谷。前苏联乌连戈依输气管线 (西伯利亚管线，图3-20)，全长3.5X104km，管径56in，紧急切断大口径管线球阀1000余台，穿越西伯利亚冻土层、森林、沼泽地。在东南亚从菲律宾至 马来西亚、爪哇、苏门答腊、新加坡至泰国全长 6276km的输气管线，其中1094km为海底管线。
 

　　管线球阀的口径为60in，压力等级为Class2500级(PN 420)，在役的32in以上管线球阀约20万台以上，32in以下近250万台。
 

　　管线球阀在管道工业中获得广泛的应用无疑是它的产品特征：全通径、低流阻，便于实现远距离控制和自动化。管道输送近百年的发展已形成性跨国管网，这是人类赖以生存的能源供给系统，这一系统从北极圈至赤道，从高山至海底，从高原到沙漠，其间穿越地震带、沼泽地、江河、湖泊、山坡。有架设的也有直埋地下的，在野外远距离遥控操作，维修困难，要求30年以上使用寿命。输送的天然气含硫、 焊渣、铁锈等杂质，出厂时要求气泡级密封，这些苛刻的要求已成为性共识的采购规范。并提出如下特殊的功能要求。
 

　　①阀体的强度与韧性阀体是一个承压部件， 其压力边界除了承压内部介质的压力之外，尚需承受外部载荷，如地面沉降、滑坡、洪水、地震等自然灾害引起的弯曲载荷；以及由于昼夜温度变化，冬夏季节性温度变化而引起的拉伸和压缩载荷。在寒带及冰冻地区应考虑材料的低温冲击韧性，防止低温脆裂。 对于全焊接阀体，在焊缝和热影响区应按断裂力学理论进行CTOD (裂纹张开位移)断裂韧性试验和焊后免热处理的安全评估。
 

　　②气泡级的密封要求产品出厂时应达到气泡级“零”泄漏，运行中要求密封座具有阻止金属颗粒进入密封区域的效果，如金属颗粒进入软密封，一旦出现泄漏，应有紧急密封的措施。
 

　　③失火安全与防静电功能阀门的设计需考虑失火安全，一旦失火，阀门的内漏与外漏不能超过API6FA和API607规定的泄漏标准。球体被非金属密封材料夹持，转动时可能产生的静电必须与阀体导通，在24VDC的电压下，其电阻小于ion。
 

　　④双截断与排放功能(double block and bleed)对于具有两个密封阀座的阀门，两个密封座之间的阀腔压力排放时，两个阀座应同时截断进口和出口的介质。
 

　　⑤双隔离与排放(double isolation and bleed)对于具有两个隔离型密封座的阀门，即具备双活塞效应功能的密封座，两个隔离型阀座之间的阀腔压力排放时，两个阀座应同时隔离进口和出口介质。
 

　　⑥防止阀腔压力超压无论阀门处于关闭状态或开启状态，对于双密封座的阀门，阀腔夹持一部分介质，如果被夹持的介质有可能由于温度变化而压力升高，阀门应具备阀腔压力超压自动泄压的功能。阀腔压力泄放的值不超过阀门压力额定值的 1. 33 倍。
 

　　⑦可清管能力(pig ability)允许清管器通过的能力。
 

　　⑧阀杆保持阀杆应设计在任何内压条件下， 填料压盖卸去或操作装置卸去的情况下，保证阀杆不被吹出和阀体压力边界的完整。
 

　　⑨驱动链的设计设计轴的转矩，在整个驱动链的计算中，应该以开启转矩的两倍来计算。驱动链的弱零件或零件截面应在压力边界之外。
 

　　⑩位置限定与指示阀门或操作机构应提供行程限定机构，在开启或关闭位置限定阀门的位置。并提供位置指示器，指示阀门所处的状态，开启位置或者关闭位置。
 

　　?硫化工况如果买方规定用于硫化工况，则 承压零件及螺栓连接材料应满足标准ISO15156《石油和天然气工业一油和气生产中用含H2S环境中材料》的全部要求。
 

　　紧急切断(ESD)对于用于紧急切断阀的场合，采用气液联动操作机构来驱动阀门，以天然气作为动力，液压油作为传动介质，来驱动管线阀门的启闭并有手动操作机构，破管自动保护，远程电控开关，ESD紧急关断的功能。
 

　　地下水的电位腐蚀与应力腐蚀采用全焊接阀体结构，管道阴极保护以及外部防腐来防止电位腐蚀和应力腐蚀。
 

　　管线球阀经历半个多世纪的发展，形成两大阀体结构形式。一种是全焊接球状阀体结构，以美国Ca-meron公司为代表，其他有德国的Bosig公司、 Shuck公司，日本TIX公司、Tubota公司，以及俄罗斯Tyazhpromarmatuva公司等。另一种是筒状阀体结构，有全焊接的，也有分体式的，以意大利Grove公司为代表，其他有意大利阀门公司、Perar公司、 NuovoPignone公司、PCC公司、B.F.E公司和捷克的MSA公司等。
 

　　(1)美国公司全焊接球状管线球阀在20世纪50年代，美国Cameron公司，推出一种球状结构，全焊接锻钢阀体的管线球阀(图3-21)， 其结构特征如下。
 

　　①阀体是全焊接，球状，由四块锻件拼接组成， 焊接是在产品组装完成后进行，焊接工艺是道工序，这样形成一个封闭的产品，不可再分解、拆卸。 这种以焊接作为产品道工序的，称为“焊接产品”。这样，内件如球体、密封座、密封环、轴承无须更换，因此，这种结构上的合理性及其带来的客户效益，是在服役生命期内的可靠密封(sealed for life)。
 

　　另外，整体阀体提供了足够的强度和刚性，产品经弯曲试验和压缩试验验证了阀体的强度和刚性。
 

　　②可转动阀座，阀座外缘加工成棘轮，球体表 面上固定着一个拨动机构，球阀每开或关一次，棘轮转动一个角度。设计者的思路是考察球体对阀座之间相对运动，作用在阀座密封环带上，磨损的不均匀性，凭借阀座的转动来获得密封环磨损的均匀。但实 践结果恰恰和这一预期效果相反，阀座的转动加速了阀座的泄漏。因为管道中砂粒出现在管线的底部，划痕从密封环底部位置上发生，阀座的转动增加了泄漏 点，这一原始结构设计，现在已不被人们所认可。
 

　　③固定球结构，球体上有两个轴孔，插入两个过盈配合的支承轴，形成一个组合球体，上支承轴作为驱动轴，与传动机构采用花键连接。轴承采用低摩擦系数的PTFE塑料轴承，无须润滑，操作轻便。
 

　　④旋转阀座上的密封环材料为尼龙或PTFE， 并被牢固地锁定在金属座圈内。阀座与阀体之间的密封采用唇式密封结构，用PTFE制成。背面有平板弹簧推动，提供密封座的初始密封。当密封座上软密封失效时，有一个密封脂紧急注入通道，密封脂通过一 个注油嘴和单向阀通向球体表面，提供一个临时紧急密封。这一组合密封座结构满足DBB的功能要求以及低的密封压力，避免产生高的操作转矩，密封座的设计成为前级密封，具有自泄放功能，腔体压力异常升高时，出口端阀座自动排放。
 

　　⑤阀杆上的密封环用PTFE制造，有上、下两个轴封，如果需要，上轴封可以被更换。
 

　　⑥产品的火烧试验证明，塑料密封环被烧毁后密封座的金属球面金属相接触，密封座与阀体间的PTFE唇式密封环烧毁后，碟形弹簧的两个平面与阀体和阀座金属面相接触，其泄漏量的总和是有限的， 能够达到液滴密封等级(drop~tight)的要求。
 

　　⑦对于直埋地下的管线，阀杆可以被延伸，接 至地面，排污管、取气管、密封脂注入管亦接至地面。图3-22是Cameron T-31型产品组装图，可以详细看到其内部结构。
 

　　几十年前Cameron公司这一全焊接球形锻造阔体，固定球浮动阀座，无螺栓连接的管线球阀问世， 提供了一个紧凑型、高强度、轻重量、无维护的集成型产品，在长输管线中取代了传统的管线闸阀，从此风靡，而且时至今日，仍是管线工业中的主导产品，其压力等级Classl50-2500，通径NPS2-420
 

　　(2)德国公司全焊接球状管线球阀
 

　　而后，德国Borsig公司发展类似的全焊接球状锻钢阀体结构的管线球阀(图3-23)，在结构上变化可以归纳为：
 

　　①球形壳体的焊缝在中间位置，壳体由左、右两个半球壳组成，轴颈部分的焊接与加工在左、右阀 体焊接之后，在工艺上有很大变化；
 

　　②驱动轴直接与球体相焊接；
 

　　③密封座的主密封采用氟橡胶或PTFE塑料， 弹簧采用螺旋弹簧；
 

　　④轴端密封有两种结构，0形橡胶密封或PTFEU形密封圈加石墨防火填料(图3-24)。
 

　　另外，在提供全焊接球状阀体管线球阀的同时， 并提供上装式管线球阀。密封结构与全焊接球形阀体管线球阀相同，壳体采用铸件，上装式结构主要用于场站，需要在线维修的场合。