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關鍵詞:球閥

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管線球閥與管道工業

發布時間:2017-04-21   點擊次數:3957次

管線球閥管道工業
管線球閥是固定球球閥的一種,是球閥一個最重要的發展。過去常常將“管線球閥” 一詞與“固定球球閥” 一詞相混用,將“管線球閥”不恰當地稱之為 “固定球球閥”。其實,管線球閥的全稱,應該是長距離輸送系統管線球閥(long distance pipeline trans¬portation system pipeline ball valve),簡稱管線球閥。
這是從產品的服務對象而言。而“固定球球閥” 一詞是指這種閥門的結構,球體被支持在轉軸中心。另外,也不適宜將管線(pipeline) —詞譯為管道 (pipe),而稱之為管道球閥。產品的國際標準名稱是 ISO14313-2007《石油和天然氣工業一管線輸送系統一管線閥門》,這一名稱就是最好的解讀。管線閥門有球閥、閘閥、旋塞閥、止回閥,是滿足長距離管線輸送的特殊要求,具備特殊功能的專用閥門,對于球閥,則稱之為管線球閥。規范該產品的美國石油學會最新標準是API 61>-2008第23版《管線閥門規范》與ISO14313等同。
3.4.1管道工業與管線球閥
1914年,第一條9 km長的輸油管線在美國中部建成,從此拉開管道的工業發展的序幕。用管道來輸 送原油、天然氣,其成本是海上運輸、油輪和液化天然氣船舶運輸成本的2/3,是油罐列車陸上運輸的 1/3。所以近百年來獲得飛躍的發展。根據《Pipe- line》雜志2000年統計,全世界已建成的管線260X 104km,其中輸油管線80X104km,輸氣管線140X104km,成品油管線40 X104km。并且每年以3X104km的速度增加,輸油輸氣管線是一條跨國能源供給線,是一條生命線。世界上最著名的管線如美國阿拉斯加輸油管線(圖3-19)從北部普拉德赫海灣至南 部瓦爾迪茲港全長1300km,管徑48in,穿北極圈,
凍土層,高山和峽谷。前蘇聯烏連戈依中央輸氣管線 (西伯利亞管線,圖3-20),全長3.5X104km,管徑56in,緊急切斷大口徑管線球閥1000余臺,穿越西伯利亞凍土層、森林、沼澤地。在東南亞從菲律賓至 馬來西亞、爪哇、蘇門答臘、新加坡至泰國全長 6276km的輸氣管線,其中1094km為海底管線。
管線球閥的最大口徑為60in,最高壓力等級為Class2500級(PN 420),在役的32in以上管線球閥約20萬臺以上,32in以下近250萬臺。
管線球閥在管道工業中獲得廣泛的應用無疑是它的產品特征:全通徑、低流阻,便于實現遠距離控制和自動化。管道輸送近百年的發展已形成全球性跨國管網,這是人類賴以生存的能源供給系統,這一系統從北極圈至赤道,從高山至海底,從高原到沙漠,其間穿越地震帶、沼澤地、江河、湖泊、山坡。有架設的也有直埋地下的,在野外遠距離遙控操作,維修困難,要求30年以上使用壽命。輸送的天然氣含硫、 焊渣、鐵銹等雜質,出廠時要求氣泡級密封,這些苛刻的要求已成為全球性共識的采購規范。并提出如下特殊的功能要求。
①閥體的強度與韌性閥體是一個承壓部件, 其壓力邊界除了承壓內部介質的壓力之外,尚需承受外部載荷,如地面沉降、滑坡、洪水、地震等自然災害引起的彎曲載荷;以及由于晝夜溫度變化,冬夏季節性溫度變化而引起的拉伸和壓縮載荷。在寒帶及冰凍地區應考慮材料的低溫沖擊韌性,防止低溫脆裂。 對于全焊接閥體,在焊縫和熱影響區應按斷裂力學理論進行CTOD (裂紋尖端張開位移)斷裂韌性試驗和焊后免熱處理的安全評估。
②氣泡級的密封要求產品出廠時應達到氣泡級“零”泄漏,運行中要求密封座具有阻止金屬顆粒進入密封區域的效果,如金屬顆粒進入軟密封,一旦出現泄漏,應有緊急密封的措施。
③失火安全與防靜電功能閥門的設計需考慮失火安全,一旦失火,閥門的內漏與外漏不能超過API6FA和API607規定的泄漏標準。球體被非金屬密封材料夾持,轉動時可能產生的靜電必須與閥體導通,在24VDC的電壓下,其電阻小于ion。
④雙截斷與排放功能(double block and bleed)對于具有兩個密封閥座的閥門,兩個密封座之間的閥腔壓力排放時,兩個閥座應同時截斷進口和出口的介質。
⑤雙隔離與排放(double isolation and bleed)對于具有兩個隔離型密封座的閥門,即具備雙活塞效應功能的密封座,兩個隔離型閥座之間的閥腔壓力排放時,兩個閥座應同時隔離進口和出口介質。
⑥防止閥腔壓力超壓無論閥門處于關閉狀態或開啟狀態,對于雙密封座的閥門,閥腔夾持一部分介質,如果被夾持的介質有可能由于溫度變化而壓力升高,閥門應具備閥腔壓力超壓自動泄壓的功能。閥腔壓力泄放的最大值不超過閥門壓力額定值的 1. 33 倍。
⑦可清管能力(pig ability)允許清管器無阻礙通過的能力。
⑧閥桿保持閥桿應設計在任何內壓條件下, 填料壓蓋卸去或操作裝置卸去的情況下,保證閥桿不被吹出和閥體壓力邊界的完整。
⑨驅動鏈的設計設計軸的轉矩,在整個驅動鏈的計算中,應該以最大開啟轉矩的兩倍來計算。驅動鏈的最薄弱零件或零件截面應在壓力邊界之外。
⑩位置限定與指示閥門或操作機構應提供行程限定機構,在開啟或關閉位置限定閥門的位置。并提供位置指示器,指示閥門所處的狀態,開啟位置或者關閉位置。
?硫化工況如果買方規定用于硫化工況,則 承壓零件及螺栓連接材料應滿足標準ISO15156《石油和天然氣工業一油和氣生產中用含H2S環境中材料》的全部要求。
緊急切斷(ESD)對于用于緊急切斷閥的場合,采用氣液聯動操作機構來驅動閥門,以天然氣作為動力,液壓油作為傳動介質,來驅動管線閥門的啟閉并有手動操作機構,破管自動保護,遠程電控開關,ESD緊急關斷的功能。
地下水的電位腐蝕與應力腐蝕采用全焊接閥體結構,管道陰極保護以及外部防腐來防止電位腐蝕和應力腐蝕。
管線球閥經歷半個多世紀的發展,形成兩大閥體結構形式。一種是全焊接球狀閥體結構,以美國Ca-meron公司為代表,其他有德國的Bosig公司、 Shuck公司,日本TIX公司、Tubota公司,以及俄羅斯Tyazhpromarmatuva公司等。另一種是筒狀閥體結構,有全焊接的,也有分體式的,以意大利Grove公司為代表,其他有意大利閥門公司、Perar公司、 NuovoPignone公司、PCC公司、B.F.E公司和捷克的MSA公司等。
(1)美國公司全焊接球狀管線球閥在20世紀50年代,美國Cameron公司,推出一種球狀結構,全焊接鍛鋼閥體的管線球閥(圖3-21), 其結構特征如下。
①閥體是全焊接,球狀,由四塊鍛件拼接組成, 焊接是在產品組裝完成后進行,焊接工藝是最后一道工序,這樣形成一個封閉的產品,不可再分解、拆卸。 這種以焊接作為產品最后一道工序的,稱為“焊接產品”。這樣,內件如球體、密封座、密封環、軸承無須更換,因此,這種結構上的合理性及其帶來的客戶效益,是在服役生命期內的可靠密封(sealed for life)。
另外,整體閥體提供了足夠的強度和剛性,產品經彎曲試驗和壓縮試驗驗證了閥體的強度和剛性。
 
②可轉動閥座,閥座外緣加工成棘輪,球體表 面上固定著一個撥動機構,球閥每開或關一次,棘輪轉動一個角度。設計者的思路是考察球體對閥座之間相對運動,作用在閥座密封環帶上,磨損的不均勻性,憑借閥座的轉動來獲得密封環磨損的均勻。但實 踐結果恰恰和這一預期效果相反,閥座的轉動加速了閥座的泄漏。因為管道中砂粒出現在管線的底部,劃痕從密封環底部位置上發生,閥座的轉動增加了泄漏 點,這一原始結構設計,現在已不被人們所認可。
③固定球結構,球體上有兩個軸孔,插入兩個過盈配合的支承軸,形成一個組合球體,上支承軸作為驅動軸,與傳動機構采用花鍵連接。軸承采用低摩擦系數的PTFE塑料軸承,無須潤滑,操作輕便。
④旋轉閥座上的密封環材料為尼龍或PTFE, 并被牢固地鎖定在金屬座圈內。閥座與閥體之間的密封采用唇式密封結構,用PTFE制成。背面有平板彈簧推動,提供密封座的初始密封。當密封座上軟密封失效時,有一個密封脂緊急注入通道,密封脂通過一 個注油嘴和單向閥通向球體表面,提供一個臨時緊急密封。這一組合密封座結構滿足DBB的功能要求以及低的密封壓力,避免產生高的操作轉矩,密封座的設計成為前級密封,具有自泄放功能,腔體壓力異常升高時,出口端閥座自動排放。
⑤閥桿上的密封環用PTFE制造,有上、下兩個軸封,如果需要,上軸封可以被更換。
⑥產品的火燒試驗證明,塑料密封環被燒毀后密封座的金屬球面金屬相接觸,密封座與閥體間的PTFE唇式密封環燒毀后,碟形彈簧的兩個平面與閥體和閥座金屬面相接觸,其泄漏量的總和是有限的, 能夠達到液滴密封等級(drop~tight)的要求。
⑦對于直埋地下的管線,閥桿可以被延伸,接 至地面,排污管、取氣管、密封脂注入管亦接至地面。圖3-22是Cameron T-31型產品組裝圖,可以詳細看到其內部結構。
幾十年前Cameron公司這一全焊接球形鍛造闊體,固定球浮動閥座,無螺栓連接的管線球閥問世, 提供了一個緊湊型、高強度、輕重量、無維護的集成型產品,在長輸管線中取代了傳統的管線閘閥,從此風靡全球,而且時至今日,仍是管線工業中的主導產品,其壓力等級Classl50-2500,通徑NPS2-420
(2)德國公司全焊接球狀管線球閥
而后,德國Borsig公司發展類似的全焊接球狀鍛鋼閥體結構的管線球閥(圖3-23),在結構上變化可以歸納為:
①球形殼體的焊縫在中間位置,殼體由左、右兩個半球殼組成,軸頸部分的焊接與加工在左、右閥 體焊接之后,在工藝上有很大變化;
②驅動軸直接與球體相焊接;
③密封座的主密封采用氟橡膠或PTFE塑料, 彈簧采用螺旋彈簧;
④軸端密封有兩種結構,0形橡膠密封或PTFEU形密封圈加石墨防火填料(圖3-24)。
另外,在提供全焊接球狀閥體管線球閥的同時, 并提供上裝式管線球閥。密封結構與全焊接球形閥體管線球閥相同,殼體采用鑄件,上裝式結構主要用于場站,需要在線維修的場合。    

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