長輸管線球閥結構的設計研究 摘要：本文根據(jù)作者幾年來對我國長輸管線球閥的研究，介紹一種新設計的管線閥門——緊急切斷球閥。并對其中的主要結構進行詳細描述。關鍵詞：長輸管線　　球閥　　閥門設計研究 1.概述　　 為使我國西部的經濟得到較快的發(fā)展，國家提出開發(fā)大西部的重大決策。開發(fā)新疆地區(qū)的石油和天然氣資源，就是開發(fā)西部的重大舉措之一。要使西部的油、氣資源得到充分的利用，*的辦法是將油、氣通過管線輸送到我國的東部地區(qū)。國家為此將建設“西氣東輸”管網工程，即鋪設主管線，西起塔里木的輪南氣田，東到上海地區(qū)，全線長約4200公里。管線輸送已成為當代物料運輸?shù)闹饕绞街?，利用長距離管線輸送油、氣等資源已成為當今世界能源輸送的zui主要的手段。世界上主要油、氣生產國和消費國都大量使用長輸管線來解決油、氣資源的運輸問題，其中，天然氣的輸送95%以上采用管線方式。據(jù)統(tǒng)計，目前，世界上已有的油、氣長距離輸送管線總長度超過260萬公里，其中，天然氣輸送管線總長度約140萬公里，占管線總長度的二分之一以上。從國外的建設和運輸?shù)慕涷瀬砜?，在相同輸送量的情況下，建一條大口徑的管線比建幾條小口徑的管線更為經濟；而且采用在一定范圍內提高介質的輸送壓力，同樣能夠增加效益。所以，西氣東輸采取的管徑為：公稱直徑DN=1000mm，公稱壓力PN=10.0MPa。這樣的參數(shù)在我國以前的輸氣管網中是從來沒有的。 　　我國西氣東輸管線距離長，管線經過沙漠、雨林、沼澤、山地、河流（長江、黃河）、平原，所經地區(qū)氣候惡劣，環(huán)境溫度變化范圍為－30oC——＋80oC，環(huán)境條件差。因此。對長輸管線閥門的要求比通用閥門的要求要高得多，要求長輸管線閥門具有更高的可靠性、更高的密封性、更高的強度，以確保長輸管線安全可靠運行。 2.管線球閥的發(fā)展　　 長輸管線的發(fā)展，經過幾十年的時間，在我國以初具規(guī)模，特別是管線球閥的發(fā)展，目前在國內管線上應用的國產管線球閥，參數(shù)已達到了PN6.4MPa，DN1000mm，但與西氣東輸工程中要求的參數(shù)，還有一段距離，另外，管線球閥的緊急切斷裝置，國內還不能生產。另外，全焊接的球閥，國內還沒有產品應用的歷史。 3.管線球閥的相關標準 API 6D 管線閥門 API 6FA 閥門的耐火試驗 API 607 軟密封和90o轉向閥門的耐火試驗 API 598　閥門的檢驗和試驗 ANSI B 16.34 法蘭、螺紋和焊接端閥門 J B/T 7745　管線球閥 4.管線球閥的特點及要求　　 在長輸管線中，要求線路截斷閥——管線球閥能夠控制管道中的介質，具有開關作用，改變介質流向和防止倒流，發(fā)送或通過管道清洗球，防止事故發(fā)生，自動、緊急切斷，封閉或打開管線等。 ４.1密封性能可靠　　 長輸管線只能定期巡查或*，而且有時需要通過人跡罕至的高山、沙漠、草原及地震等地區(qū)。微小的漏失就會造成大量介質的漏失，浪費能量，尤其是西氣東輸工程中，對天然氣管道中的密封性更為重要，另外，還要求具有緊急注脂的密封性能。 4.2使用壽命要求長　　管線一旦投入運行，幾年內甚至幾十年內不允許停止運行，運行的時間越長越好，天然氣面對的是大用戶，是大工廠、企業(yè)的原料或能源，不允許有片刻的閘斷，所以，要求主要關鍵件如閥座等有很長的壽命。 4.3管線閥門的高強度、抗外力的安全性　　西氣東輸工程中，管線球閥的壓力高達10.0MPa。口徑達到1000mm。且管線的站距較長，長度達到20公里左右，在使用中，受溫度的熱脹冷縮、設備振動、地震災害、地基變動等復雜的外力，閥門在管道中經常受到拉伸、彎曲壓縮等綜合應力，要確保閥門的正常使用，必須具備足夠的強度。 4.4管線球閥應耐腐蝕　　因天然氣中含有硫化氫，它還能與鐵反應生成硫化鐵，腐蝕閥門，穿蝕機械，故管線球閥應選用耐腐蝕的材料。 4.5自動化程度高　　 管線球閥的控制都是在*控制室，距離較遠，應能實施遠距離控制或遙控，且在事故狀態(tài)下能緊急關斷。關斷時間要求達到15秒左右，在管線正常運行時，可能幾年內都不會動作，一旦動作，必須準確、可靠。 4.6管線閥門要求重量輕、結構緊湊、全通徑　　 為了保證閥門能在復雜的現(xiàn)場安裝、埋地要求、檢修方便，因此要求閥門重量輕，結構緊湊，并且是全通徑，便于在管線正常運行時，能夠清管。 5.設計研究管線球閥的主要技術參數(shù)：公稱蝶閥PN=10.0MPa 公稱通經DN=1000mm 實際通經D=1016mm 環(huán)境極限溫度-36oC—真空閥80oC 介質：天然氣（含有硫化氫和二氧化碳）啟閉時間：關閉<15秒、開啟＝600秒根據(jù)使用和標準的要求，以及長輸管線球閥的要求，結合管線球閥的技術參數(shù)，我們作了如下的設計研究： 減壓閥5.1全焊接式管線球閥為了杜絕閥門的外漏、提高閥門的抗變形能力、減輕重量，需采用全鍛焊式結構，典型結構見圖１安全閥無，歡迎提供） 全鍛焊式結構，采用鍛造的閥體，在裝配后焊接而成，改變了過去的鑄造、螺栓連接結構，不會有閥體部分的外漏；相對于鑄件來看，鍛件的壁厚可以減薄，且強度高閘閥法蘭和幾十對螺栓的連接，重量大大減輕，據(jù)測試，將減輕四分之一的重量。 5.2密封結構　　 密封結構是球閥密封性能的關鍵設計，提供一個好的密封結構，直接影響球閥的使用壽命截止閥研究，我們提供了下列幾種符合實際要求的結構： 5.2.1．雙活塞效應閥座　　 雙活塞效應的閥座基本原理即閥門有二個閥座密封，假如上游閥座損止回閥介質進入中腔，而中腔的壓力仍然能使下游閥座達到密封。見圖２（暫無，歡迎提供）　　 d1>d1’>d2 所以，當中腔有壓力時，介質力能旋塞閥壓向球體，達到密封的目的。 5.2.2．雙重密封　　 為使閥門更有效地密封，該結構采用雙重密封結構，即聚四氟乙烯密封軟密封。閘閥屬硬密封，如果軟密封出現(xiàn)問題，金屬密封也能起到作用，見圖２（暫無，歡迎提供）。 　　同時金屬硬密封還是防火結構的設計，即當軟密封疏水閥到火災燃燒時，金屬硬密封能夠密封。 5.2.3．緊急注脂密封　　 如果異物或其他原因損壞密封面，閥座中的密封脂加注系統(tǒng)可提供一種快速簡單的恢復緊密關斷的方法。加注密封脂達到密封。另外水力控制閥注系統(tǒng)也可以用于周期性情況閥座的密封區(qū)域。同時，在閥桿密封中也增加緊急注脂密封補充。見圖３（暫無，歡迎提供）： 5.3 防靜電、防火結構　　標準中要求該球閥必須具調節(jié)閥靜電、防火結構，閥門在球體、閥桿和閥體之間設置靜電結構，在密封圈設置防火結構，當發(fā)生火災時，金屬密封圈仍能達到密封，結構如圖１所示（暫無，歡迎提供）： 電磁閥.4 緊急切斷裝置　　 當管道發(fā)生事故時，要求該事故管道兩端的球閥實行緊急切斷，一般要求在15秒之內關閉兩端閥門，或者在更短的時間，現(xiàn)在，各閥門制造廠大部分選用國外的氣液聯(lián)動的緊急切斷裝置，針型閥利用管道輸送的介質，利用介質的壓力，由感應裝置或由主控室的指令，感應事故信號，直接控制閥門，達到緊急切斷閥門的目的。 5.5固定球結構　　 為減少介質壓襯里閥體及閥桿造成的彎曲應力，將閥桿與球體的連接設計成分段結構，避免介質壓力直接作用在閥桿上，造成閥門開關的難度，另外，加大球體的支撐截面積，提高球體的剛性。結構設計見圖４（暫無，歡排氣閥提供）： 　　 綜上所述，采取上述幾種方案的特點，能夠符合標準對閥門的要求，同時，也能符合工程的需要。 6.管線球閥的發(fā)展趨勢　　 近年來，排泥閥著長輸管線的快速發(fā)展，管線球閥作為緊急切斷的閥門之一，發(fā)展速度也非?？?，主要呈現(xiàn)以下幾個方面的發(fā)展趨勢： 6.1大型化、高參數(shù)　　 目前，管線球閥已發(fā)排污閥大公稱壓力PN=14.0MPa，DN=1400mm，大型化、高參數(shù)將給輸送帶來更大的經濟效益。 6.2高強度的耐腐蝕材料　　 閥門尺寸的增大，壓力的增高，迫切需要研究高強度的呼吸閥新型鍛材，以適應閥門尺寸不斷加大的需要。 6.3多重密封結構　　 為保證閥門的密封，正在研究一種多重復合材料的密封結構，以確保閥門在使用中能夠有足夠長阻火器使用壽命，能達到50年的使用壽命。 6.4高可靠性及快速關閉　　 緊急切斷球閥，在輸氣管道中長時間出于開啟狀態(tài)，有時十年也不動作，但是，一旦動作，便要準確可靠，保證更高的可靠性，并且能夠在更短的時間內快速關閉。 6.5自動化程度更高　　 緊急切斷球閥，能感知事故的發(fā)生，自動關閉，感知距離更長。 7.結束語　　在長輸管線中，已經得到越來越廣泛地應用，采用上述設計結構，可以滿足長輸管線的要求。 作者簡介：黃明亞，男，1959年出生，合肥通用機械研究所閥門分所所長，教授級高工，主要從事閥門的標準研究，以及閥門新產品的研究工作。