管线球阀讲义.docx

1、管线球阀讲义一、前言 1914年，第一条9公里长的输油管线在美国中部建成，从此拉开管道工业发展的序幕。用管线来输送液体或气体，其成本是铁路运输的1/3，海上运输的2/3，所以近一百年来获得了迅速的发展。长距离输送管道称之谓长输管线，长输管线上使用的阀门称之谓管线阀门，有球阀、闸阀、止回阀、旋塞阀，是一种满足管道运输的特殊要求，具备特殊功能的专用阀门。对于球阀则称之谓管线球阀。规范管线球阀的技术标准是美国石油协会颁发的API规范6D石油天然气工业管道输送管线阀门，最新版本2000年1月颁布的第22版，以及1999年颁发的国际标准ISO14313-1999。 实际上管道工业的迅速发展是二十世纪五十

2、年代的事，根据Pipeline杂志2000年统计，全世界已建成管线260万公里，其中输油管线80万公里，输气管线140万公里，其他石油化工产品输送管线40万公里。输油输气管线是一条能源供应线，是一条生命线，已遍布全球，并且每年仍以3万公里的速度递增。管线阀门的最高压力级PN42.0Mpa（Class2500），阀门最大通径60英寸（DN1500）。 世界上著名的长输管线如美国阿拉斯加到大西洋东海岸长岛的原油输送管线，穿过北极圈冻土层和美国五大湖的沼泽地；俄罗斯横贯西伯利亚的输油管线；地中海地区从阿尔及利亚经摩洛哥至西班牙的输气管线，全长2000公里，穿过沙漠，阿特拉斯山脉和直布罗陀海峡；在东南

3、亚从菲律宾经马来西亚、爪哇、苏门答腊，至泰国全长6276公里输气管线，其中1094公里海底输气管线，等等。 球阀的结构可追溯到1904年，已有人申请了结构专利，但一直未获得商品化，它的发展也是20世纪50年代的事，这是由于1943年美国杜邦公司聚四氟乙烯塑料的发明，这种材料具有一定的弹性，自润滑性，优良的耐腐蚀性，十分适宜于作为阀门的密封材料。以及车球机、磨球机的进步。由于这种阀门是全通径、低流阻，十分适宜作为长输管线用阀，所以管线球阀已逐步取代管线闸阀、旋塞阀，是一种近50年来发展最快的一个阀门新品种。 二、管线输送对管线球阀的严格要求 长输管线是全球性的，是一条能源供给线，从北极圈到赤道，

4、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，对管线球阀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

5、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（firesafe）,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（DoubleBrock&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

6、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； 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,MR0175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（SCADASystem），当管线压降速率或持续时间达

7、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。 三、国外管线球阀的发展 管线球阀经过半个世纪的发展，在结构设计上形成二大流派。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，Schuck公司，美国Larsen&Toubro公司，日本KITZ公司，TIX公司，TUBOTA公司，以及俄罗斯图拉的Tyazhpromarmatuva公司，如图（一）所示；另一流派以意大利Grove公司为代表，采用分体式筒状结构，尔后在此基础上发展成全焊接筒状阀体结构，如图（

8、二）所示。属于这一流派的有意大利新比隆公司（NuovoPignone），PCC公司，PERAR公司，B.F.E公司，PIBIVIESSE公司，FCT公司，美国PBV公司，捷克的Czechoslovikia公司。 （a）美国Cameron公司（b）日本TIX公司 图（一）全焊接球形阀体管线球阀 （a）美国PBV公司（b）B.F.E公司 图（二）筒状阀体管线球阀 美国Cameron公司产品的技术特征：全焊接球状阀体，尼龙或PTFE密封材料，可转动阀座，上下阀杆轴支承，进口端密封，出口端腔体压力自动向下游端泄放。如图（一）（a）所示。 美国Cameron公司在五十年代就完成全焊接球形阀体结构，以其高

9、的可靠性，经半个世纪全球性的商品化销售，仍保留原结构设计特征而成为著名品牌，广泛用于重要的长输管线中，如美国阿拉斯加原油输送管线。 意大利Grove公司以双活塞效应，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，在市场上取得竞争地位，广泛用于长输管线的场站，增压站。尔后发展的圆筒状或准圆筒状全焊接阀体球阀在长输管线中亦用作紧急切断阀。 在某些场合，客户需要在线维修，可选用上装式结构管线球阀，如图（三）所示。 图（三）上装式结构管线球阀图（四）日本TIX球状全焊接阀门 由于商业上的竞争，促进技术上也相互交融。Cameron公司的Dynaseal370系列产品即为分体式

10、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则吸收二大流派的优点，根据各自制造工艺特点，推出球状全焊接阀体，双活塞效应，橡胶密封材料的管线球阀产品，综合了各流派的技术优势。如图（四）所示。 四、设计理念 管线球阀的设计理念最根本的是安全和可靠性。无论是长输管线或者是城市管网都是能源的供给线，是一条国家经济命脉线。全球性的地下输油、输气管线和管网，就象地上输配电网一样，是城市工业和民用赖以生存的基础，没有这条能源供给线，现代化城市功能立即停止。 长输管线严酷的自然条件，从北极圈-70C到赤道沙漠70C的温度；经受地震、

11、地基沉降，泥石流，滑坡，洪水等自然灾害；地下水的电位腐蚀，含硫介质的应力腐蚀等均是造成事故的诱发因素。城市管网爆炸已常见不鲜，自然灾害而造成的管线破坏也常有报道，如汉城城市天然气管网破裂引起大火，在国内如1984年铁秦管线，因连日暴雨，秦皇岛大石河水库开闸，冲断输油管线，3000吨原油流入大海；1996年马惠线，环江上游洪水暴发，冲断管线，1000吨原油泄漏。根据Pipeline杂志，Sealweld公司估计，一只36”管线球阀的价格约45，00065，000美元，故障需排尽上游端和下游端管线的天然气损失约50，000100，000美元。因此，管线球阀的设计和制造，对安全性和可靠性的强调，无论

12、如何亦不为过分。而且这一理念应贯彻在产品设计，工艺规范，零件加工，型式试验，产品试验，质量控制，售后服务的全过程。 五、设计 1、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，筒状结构是双焊缝，焊接过程热量输入大，残余应力复杂，轴向和径向变形大。球状结构Cameron公司是四条焊缝拼接，现在由于工艺技术进步，采用左右阀体热锻压成型，可中间单焊缝焊接成型，减少线能量输入，降低轴向和径向变形。 分体式结构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应力而产生连接松弛，

13、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。如图（五）所示。 图（五）阀体与连接体防火结构 阀体的材料为锻件，温度-29C以上选用ASTMA105；-29C以下选用ASTMA350LF2。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、密封座与密封 阀座采用组合密封结构，即金属对金属的初始“密封”，以阻挡固体颗粒的进入；用橡胶、PTFE塑料、尼龙、PEEK等软密封作为次级密封，以保证“零”级泄漏，如图

14、（六）所示。但由于管线中的异物的意外导入对软密封材料的损坏，管线球阀均设有紧急密封剂的注入系统，以获得暂时性的密封要求。 图（六）组合密封结构 密封用的橡胶圈有圆形，三角形或其他特殊形状。每一公司都有自己的设计结构和工艺措施，防止橡胶圈在开关过程中被吹出（Blowout）或切坏。对于Class900磅级以上，应选用防爆降压(AED)特性的材料作为O型圈材料。 PTFE的密封圈，一般采用筒状镶嵌式结构，亦可做成倒钩状组合式结构，旨在保证密封圈不被吹出而导致密封失效。 密封座材料与阀体材料相同，化学镀镍，有弹簧加载以保证初始密封比压，弹簧可采用螺旋弹簧，板弹簧或碟形弹簧，材料为InconelX75

15、0。 进口端和出口端阀座采用对称双向密封设计。这种活塞式的介质自密封结构，按照客户需要可设计成“单活塞效应”（Singlepistonaction），压力自泄放密封座结构（图七）和“双活塞效应”（DoublePistoneffect）双重密封结构。（图八） 图（七）压力自泄放密封座结构 图（八）“双活塞效应”（DoublePistoneffect）双重密封结构 单活塞效应即进口端密封，出口端腔体压力自动排放。 双活塞效应即进口端、出口端同时密封，无论是气体介质或液体介质，腔体必须设有安全阀，以保证压力泄放。 单活塞效应和双活塞效应设计的阀座，其腔体压力排放是有区别的。双活塞效应设计是腔体压力超

16、过压力等级相应的压力值的1.33倍时排放，且排放至大气环境。而单活塞效应的设计则是只要腔体压力大于下游端管线压力就自动排放至下游管线。因此，一般公司把单活塞效应产品作为标准产品，双活塞效应产品作为选项产品。 设置安全阀时，安全阀口径应1/2”，泄放压力1.33倍额定压力。阀座与连接体配合处应有失火安全设计，与阀座配合处连接体内表面应局部化学镀镍。 3、球体与支承轴 管线球阀口径（2”或2”以上）大都采用支承球、浮动阀座结构（TrunnionmountedBallandFloatingSeat）。作用在球体上的介质力有两个滑动轴承支撑，对于高压、大口径，这一轴向推力可达到几十吨至几百吨，滑动轴的

17、比压必须进行计算，其许用比压不能超过供货商提供的滑动轴套许用比压。许多公司都用不锈作为基体，内衬PTFE塑料，这种轴承套承载比压可达200400Mpa，许用比压取100200Mpa，且摩擦系数低，可降低球阀的操作扭矩。 支承轴的设计，一种是在球上车削成上下轴颈，并用二个上下支撑板支承，中间内置由PTFE内衬的不锈钢轴套，支承轴长度L与轴颈d之比，由于结构限制取L/d=0.40.8。另一种设计是球体车削成内孔，上下由二个支承轴，支承在阀体上，这种设计一般L/d=1.22.。这二种结构，前者由于轴颈粗而短，所以球阀的阻力矩较大，而后者的上支承轴，同时又是传动扭矩的阀杆，所以是处于复合的受力状态，支

18、承轴（阀杆）的材料可选用ANSI4140并需化学镀镍。阀杆与球体扭矩的传递可用单键、双键、花键连接，亦有直接连接装配后与球体焊接的结构设计。 球体的加工精度，圆度0.005mm，化学镀镍，镀层厚度高于阀座的镀层。 对于大口径，高压力级阀门的球体，应作球体变形计算，这种变形足以引起密封失效。 4、阀杆与填料 标准的阀杆安全设计应防止在工作压力下被“吹出”，阀杆上防吹出的凸缘处置一环状环，以减少摩擦系数。填料可采用二级“O”形圈密封，亦可采用皮碗形用PTFE加工的填料，并有失火安全石墨填料和紧急状态下外部密封剂的注入系统。在阀杆与球体接合部以及阀杆与阀体接触处应有一防静电机构，防止静电在球体上集聚

19、，如图（九）所示。 图（九）阀杆与填料结构 5、DBB功能设计 DBB功能设计是指无论是阀门处于开启或关闭状态，阀腔泄压排放时，上游端和下游端阀座应同时截止（DoubleBlock&Bleed），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、紧急密封系统的设计 紧急密封系统由注射器（Injector）和止回阀(CheckValve)组成，分别安装在阀体上，在阀座处的外测和阀杆填料处外侧。紧急密封系统可以用来阻止或减少管线中阀门密封座的泄漏，密封剂注射前要进行清洁和冲洗，有专门生产的清洁剂和密封脂，用手动或电动的工具将清洗剂或密封脂从注射器口注入，并按供货商所提供的使用

20、说明进行清洁和紧急密封操作。（如图十） 图（十）注射器与止回阀 7、失火安全与防静电设计 失火安全与防静电设计已在支承轴、密封座章节中予以说明，防静电结构设计，在24VDC下测定，电阻值不超过10欧姆。 8、阀门的操作 阀门的操作，有手动、蜗轮传动、气动（双作用或弹簧复位），高压气动（直接使用管线气体）、电动、液动（双作用或弹簧复位）以及气液联动。气液联动可实施本地和远程控制，与卫星遥控的SCADA系统相配合，当下游压力降的速率或持续时间超多设定值时，（即管线爆裂），紧急切断阀自动截断，并带有救急性的蓄压器，供手动操作。 9、端部设计 连接端按客户要求，有法兰连接端和焊接端。 法兰连接端应带凸

21、面或环形槽，其尺寸、公差与光洁度、以及打孔、法兰面，锪孔、倒孔等应按下列标准； DN600及其以下，按ASMEB16.5，其中DN550按MSS-SP44； DN650以上按ASMEB16.47中A系列 焊接端应按ASMEB31.4中434.8.6节图（1）、（2）或ASMEB31.8中图（14）和（15）。 10、螺栓 体连接螺栓用ASTMA193B7材料制造，螺母用ASTM()制造，并符合NACE-TM0284规定，客户可以要求作着色试验，按ASME第V篇24款进行。 11、直埋地下 直埋地下的阀门为全焊接阀体管线球阀，阀杆按客户要求接长，阀杆接长部分设计应牢固，能抗地面承载，所有阀体上的

22、连接管、密封剂注入器，底部排泄阀、安全泄放装置均接至地表，接管与阀体焊接。接长杆的设计，其长轴的绕曲和传动链结合部的间隙应予控制，防止开关过程中，球体不能准确地处于关或开的位置，造成传动失误。 12、范围 按API标准6D，以及制造厂的装备能力，产品的供货范围： Class100600磅级DN1/2”-60” Class900磅级DN1/2”-36” Class1500磅级DN1/2”-16” Class2500磅级DN1/2”-12” 在特殊场合，国外供货商可提供： Class150600磅级最大口径至DN72” Class900磅级最大口径至DN40” Class1500磅级最大口径至DN

23、36” Class2500磅级最大口径至DN24” 六、数值仿真技术 采用有限元分析的数值仿真技术作为管线球阀的辅助设计是必要的，对于复杂应力状态，复杂的焊接工艺过程，可为设计和焊接工艺优化提供有力的论证，下列零件的设计与制造可以进行数值仿真： 1、分体式管线球阀阀体及连接螺栓应力分析； 2、全焊接阀体管线球阀阀体的应力分析； 3、全焊接阀体焊接过程的温度场分布，焊接残余应力分布，焊接轴向变形和径向变形预测，如图（十一）所示； （a）阀门轴向变形（b）阀门径向变形 图（十一）固有应变法计算焊接变形 4、焊接过程对支撑板受力状态的影响，如图（十二）所示； 图（十二）支撑板应力分布 5、球体的变形

24、预测，尤其对于大口径，高压力级在介质力作用下球体可能发生变形，这种变形应控制在加工圆度的公差范围内，如图（十三）所示； 图（十三）额定压力下球体弹性变形 6、全焊接阀体球阀强度分析，如图（十四）所示； （a）筒型全焊接阀门强度（b）仿球形全焊接阀门强度 图（十四）阀门强度分析 7、全焊接球形阀体结构的上下支承轴承受弯矩和扭矩的复合载荷作用，应作应力分析； 8、扭矩传递系统设计与故障失效分析； 9、对于快速启闭球阀（0.5秒）传动轴的动应力分析； 七、制造 1、球体加工 高的密封性能和低的操作扭矩是球阀设计工作者追求的二个既定目标，而这一目标的解决取决于车球机和磨球机的进步。国内球体加工普遍采用

25、车削法，即在普通车床上增加一个回转刀架，其特点是简单，操作方便。但由于切削刀尖的磨损和切削线速度的差异，球体的加工精度、圆度均存在问题，特别是大口径的球体加工就难以满足设计要求。这就是国产球阀扭矩大，密封性能差的原因。解决的方法是采用铣削磨削，或者采用具有补偿功能的数控车球机，并带有精度在线检测装置，如图（十五）所示。 图（十五）高精度数控磨球机 2、阀体焊接 全焊接阀体焊接工序是产品组装后进行，是最后一道工序。焊接后不再允许拆卸。这种产品越来越多，称之为“焊接产品”。阀体的焊接应解决几个问题： 焊接过程温度场的预测与控制； 焊接过程轴向变形、径向变形的预测与控制； 焊接过程残余应力的控制；

26、要解决这一问题要选用一种焊接方法，优化焊接工艺，包括母材、焊丝、焊剂的选择，焊接工艺参数的优化，自动化焊接设备的制造。并对焊接工艺进行评定，以及对焊接工艺的“焊后免热处理”通过专家评估。 阀体焊接设备需要专用焊接工装及设备，如图（十六）所示。 图（十六）焊接阀门专用焊剂 八、试验 为了确保产品的可靠性，国外的公司对管线球阀做了大量的型式试验和可靠性试验，这些试验是： 1、外载荷弯曲试验 目的：考核抗地面沉降，泥石流、洪水、基础载荷的能力，如图（十七）所示。 方法：对于Class600，DN750的试验球阀施加367吨/米的弯矩，测量：（a）阀门和管道的应力；（b）以空气介质在102Kgf/cm

27、2压力下测试外部和内部的密封性能；（c）测量球阀的开启和关闭扭矩的变化； 图（十七）外载荷弯曲试验 2、外载荷拉伸、压缩试验 目的：考核由于温度变化而引起的轴向载荷和安装载荷的影响，如图（十八）所示。 方法：对于Class600，DN750mm的试验球阀施加2033吨的拉伸力和2033吨压缩力。测量（a）阀门和管道的应力；（b）以空气为介质，加压至6Kgf/cm2，测试外部和内部的密封性能；（c）测试开启与关闭扭矩；上述二项试验其结果应力值应在允许的范围内，无外部和内部泄漏；开关的扭矩未发生变化； 图（十八）外载荷压缩试验 3、吹风试验 目的：考核密封结构在开关过程中的可靠性。 方法：以空气为

28、介质，吹入70Kgf/cm2压缩空气，阀门的开度为615，检查密封座无异常现象发生，亦未发生泄漏； 4、异物吹入试验 目的：异物侵入对密封性能的影响 方法：7号沙，粒度为0.050.14mm，在70Kgf/cm2压力下吹入1500克，开关30次，检查对密封面的损坏状况，并做低压密封试验应合格。 5、异物磨损试验 目的：磨损试验 方法：分别将7号沙，粒度0.050.14mm，5号沙，粒度0.41.6mm，3号沙，粒度1.12.3mm以及铁屑各300克，置于阀体底部，分别开关30次，检查泄漏情况。对于沙粒试验每分钟泄漏在1cc以下为良好，对于铁屑每分钟250cc以下为良好。 6、紧急密封脂注入试验

29、 目的：当密封面损伤（深度0.4mm的划痕），密封失效时，注射密封脂，恢复其密封性能。 方法：人为使密封面损伤，产生500cc/min的泄漏，用高压注射枪，将密封脂注入，并开关几次，按阀门试验规程进行密封试验，恢复至零级泄漏。 7、承载试验 目的：直埋地下的阀门，承受地基的均布载荷，考核其可靠性。 方法：对阀门和伸长杆施加一个弯曲力矩，对于Class600，DN600的球阀弯曲力矩是7.6吨/米。在40Kgf/cm2压力下，进行气密封试验和开关试验。对阀杆伸长段进行应力测定。其结果应该是：阀门未发生泄漏；开关扭矩未发生变化；伸长杆的应力在许用范围内。 8、抗震试验 目的：阀门抵抗地震的能力测定，如图（十九）所示。 方法：振动速度12.2Kine，震动加速度1373伽的情况下，测试其密封性能和进行开关扭矩测定。 图（十九）抗震试验 9、长期浸渍试验 目的：考核材料的抗硫特性 方法：在输送的原油中长期浸泡，测定材料的机械性能的变化。 10、火烧试验 按照API标准6D附录A的规定：阀门的火烧试验应按ISO10497标准进行火烧试验验证。按照BS6755第二部分，API标准6FA，API标准6FC，API标准6FD，或A