閥門的種類多種多樣，應(yīng)用范圍相當廣泛。天然氣管道常用的閥門主要有管道球閥、平板閘閥、旋塞閥、強制密封閥等，其中以管道球閥應(yīng)用最為廣泛。

管道球閥的發(fā)展

管道球閥經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上形成兩大流派。一派以美國Cameron公司為代表，采用全焊接球狀閥體結(jié)構(gòu)。屬于這一流派的有德國的BORSIG公司和Schuck公司，美國的Larsen&Toubro公司，日本的KITZ公司TIX公司，TUBOTA公司，以及俄羅斯的Tyazhpromarmatuva公司。另一流派以意大利的Grove公司為代表，采用非提示筒狀結(jié)構(gòu)和在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全焊接筒狀閥體結(jié)構(gòu)。同屬于這一類的有意大利的NuovoPignone公司，PCC公司，PERAR公司，PIBIVIESSE公司，B.F.E公司，F(xiàn)CT公司，美國的PBV公司以及捷克的Czechoslovikia公司。

美國Cameron公司產(chǎn)品的技術(shù)特征是：全焊接球狀閥體，尼龍或PTFE密封材料，可轉(zhuǎn)動閥座，上下閥桿軸支撐，進口端密封，出口端腔體壓力自動向下游段泄放。該公司在五十年代就完成了全焊接球形閥體結(jié)構(gòu)，以其高可靠性廣泛應(yīng)用于油氣長輸管道中，如美國阿拉斯加原油輸送管道。

意大利Grove公司生產(chǎn)的球閥以雙活塞效應(yīng)，防爆橡膠O型圈或PTFE密封材料，支撐板支軸球結(jié)構(gòu)，分體式閥體，便于維修，廣泛應(yīng)用于油氣長輸管道的場站和增壓站。其后發(fā)展的圓筒狀或準圓筒狀全焊接閥體球閥在長輸管道中亦用作緊急切斷閥。在某些需要在線維修的場合，可以選用上裝式結(jié)構(gòu)管線球閥。在其后的發(fā)展過程中，上述兩種技術(shù)互相借鑒，互相交融。Cameron公司的Dynaseal370系列產(chǎn)品極為分體式結(jié)構(gòu)，與全焊接閥體產(chǎn)品配套銷售；Grove公司也推出準球狀的全焊接閥體結(jié)構(gòu)在主管線中獲得應(yīng)用。而其他公司如TIX，TITZ則吸收兩大流派的優(yōu)點，根據(jù)各自制造工藝特點，推出球狀全焊接閥體，雙活塞效應(yīng)，橡膠密封材料的管道球閥產(chǎn)品，綜合了各流派的技術(shù)優(yōu)勢。

管道球閥的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

1、閥體

閥體可分為全焊接閥體設(shè)計和分體式閥體設(shè)計。

全焊接閥體設(shè)計有筒狀結(jié)構(gòu)和球狀結(jié)構(gòu)，筒狀結(jié)構(gòu)制造工藝較簡單，便于裝配定位，返修容易實施，坯件制造所需模具簡單，費用相對較低，而且方便采用支撐板對球體進行固定。但重量大，材料成本高。同時由于多采用雙焊縫，焊接過程熱輸入量大，殘余應(yīng)力復(fù)雜，軸向和徑向變形大。在閥門安裝在管線上后，閥體承受極大地管道應(yīng)力和管線載荷，同時由于安裝誤差、底層運動和熱變應(yīng)力等因素影響，產(chǎn)生的外力和扭矩是相當大的，厚度比較大的圓柱形閥體能夠更可靠的承受管線載荷，不易產(chǎn)生變形。球形閥體結(jié)構(gòu)受力狀況優(yōu)于筒形

閥體結(jié)構(gòu)，抗彎曲、抗擠壓能力強，閥體設(shè)計壁厚小，重量輕，結(jié)構(gòu)整體性能好，但其制造工藝相對復(fù)雜，在閥內(nèi)做球體支撐不易實施，一次性開模費用較高，但批量生產(chǎn)成本低于筒狀結(jié)構(gòu)閥門。目前，球狀閥體結(jié)構(gòu)有三種焊接形式：第一種是兩縱兩環(huán)焊接形式，Cameron公司的全焊接球閥即使這種焊接形式。這種結(jié)構(gòu)閥體成型所需模具相對較為簡單，模具費用低，但焊縫多，焊接變形大，裝配定位難度大，T字形焊縫容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。第二種球形閥體結(jié)構(gòu)是，左右兩個閥體為球形，中間為圓柱形，三體通過兩道對稱縱向焊縫組焊而成，這種結(jié)構(gòu)工藝性較好，便于返修和發(fā)干部分的安裝，對于大口徑全焊接球閥尤為適合，目前新比隆公司等采用此種結(jié)構(gòu)。第三種是采用單條焊縫焊接的閥體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在由于工藝技術(shù)進步，采用左右閥體熱鍛壓成型，在中間單焊縫焊接成型，焊縫少，減少先能量輸入，降低軸向和徑向變形，且焊縫遠離閥座，焊接熱不易損傷閥座，因此可以以較高的焊接電流和速度進行焊接，此種結(jié)構(gòu)閥體成型需要專門模具，模具費用相對較高，如一次裝配試驗不成功，

返修比較困難，目前Schuck等公司采用此種結(jié)構(gòu)。

分體式結(jié)構(gòu)又分為側(cè)裝式和頂裝式兩種。一般由閥體和左右連接體組成，連接體與閥體由螺栓連接，連接法蘭厚度與螺栓的連接強度應(yīng)按與閥體內(nèi)徑相當?shù)姆ㄌm進行類比設(shè)計，其連接強度必須防止管道盈利而產(chǎn)生連接松弛，使密封失效。閥體與連接體面對面接觸，中間無間隙。密封必須滿足失火安全要求，采用橡膠“O”型圈與纏繞式金屬墊組合密封。但是隨著近年來全焊縫閥體技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)逐漸取代了具有外漏危險的分體式結(jié)構(gòu)。

閥體的材料為鍛件，溫度-29°以上選用ASTM A105；-25°以下選用ASTM A350 LF2。對于焊接閥體，對A105或LF2材料的化學(xué)成分、含碳量、碳當量以及硫、磷等元素應(yīng)另有特殊限制。鍛件按三級鍛件標準驗收，做100%無損探傷，焊縫處做著色檢查和超聲波探傷。

2、閥座及密封

閥座密封結(jié)構(gòu)是全焊接球閥的關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響球閥的密封性能和使用壽命，為確保其密封性能的可靠性和30年以上使用壽命的要求，通常在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取以下措施：

（1）雙活塞效應(yīng)的雙密封閥座結(jié)構(gòu)

雙活塞效應(yīng)是指在這種結(jié)構(gòu)里，閥座與球體密封中心與發(fā)作密封圈的中心在一個圓柱面上，如圖所示，閥座支撐圈和閥座密封圈均為可以移動的活塞，同時具有兩個活塞。所謂雙密封座，是指就一個閥座而言，在兩個方向均能實現(xiàn)密封的閥座結(jié)構(gòu)。即當上游介質(zhì)壓力高于中腔壓力時，介質(zhì)壓力會推動閥座密封圈向球體移動，使上游側(cè)推力與中腔側(cè)推力形成△P的壓力差，從而使閥座與球體抱得更緊，增加密封比壓，滿足密封要求，也就是當上游壓力高時能夠?qū)崿F(xiàn)密封；當中腔壓力高于上游壓力時，中腔壓力會把閥座密封圈推向上游側(cè)，而改變閥座上下游側(cè)的受力面積，使中腔介質(zhì)推動閥座支撐圈的推力大于上游側(cè)介質(zhì)推動閥座支撐圈的推力，形成△P的壓力差，這個壓力差仍然使閥座與球體抱得更緊，實現(xiàn)密封。所以這種結(jié)構(gòu)無論上游側(cè)壓力高還是下游側(cè)壓力高，閥座都會緊緊抱緊球體，滿足密封需要，因此叫雙密封閥座。

（2）自泄壓式的單密封閥座結(jié)構(gòu)

如圖所示，這種結(jié)構(gòu)的閥座密封圈是固定的，只有閥座支撐圈可以移動，因此，這種結(jié)構(gòu)又稱作單活塞效應(yīng)閥座。該結(jié)構(gòu)閥座密封圈到閥門中心的距離A大于閥座與球體接觸點到閥門中心的距離B，當上游壓力高于閥腔壓力時，上游壓力會把閥座支撐圈推向球體，使閥座和球體緊密結(jié)合，實現(xiàn)密封。當中腔壓力高于上游或者下游壓力時，中強壓力將把閥座支撐圈推離球體，是閥座和球體脫離接觸，從而使中腔壓力得以向低壓的上游或者下游泄放。

雙活塞效應(yīng)的雙密封閥座結(jié)構(gòu)對全焊接球閥來說是一種非常有效地密封結(jié)構(gòu)。由于要求確保30年使用壽命的全焊接球閥來說，是非常必要的，因為在閥內(nèi)兩個閥座中，任何一個閥座受損，另一個閥座仍然可以獨立的起作用，保證密封。而對于自泄壓式的單密封閥座結(jié)構(gòu)來說，當一端閥座損壞后，介質(zhì)會進入中腔，中腔壓力將增大，而中腔壓力的增大將會削弱另一端自泄壓閥座的密封能力，當中腔壓力高于下游壓力達到設(shè)計值時，就會發(fā)生泄露。因此，就密封可靠性而言，雙密封閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)于單密封閥座結(jié)構(gòu)。然而，正因為雙活塞效應(yīng)的雙密封閥座結(jié)構(gòu)不會自動泄放中腔介質(zhì)壓力，當閥門處于全開全關(guān)位置時，截留于中腔內(nèi)的介質(zhì)可能由于溫度的急劇變化，使閥腔出現(xiàn)異常增壓，經(jīng)計算，當截留于閥腔內(nèi)的氣體溫度由-30℃上升到70℃時（這種情況可能出現(xiàn)在我國的西北，在嚴寒的冬天，對閥門進行了開關(guān)，此后一直到來年炎熱的夏天，都沒有啟閉過閥門。）閥腔壓力會升高到原來的1.41倍，這種壓力的升高對閥腔來說是不安全的。因為，氣體是可壓縮的，溫度升高，對閥腔壓力影響還不是很大；如閥腔充滿的是液體介質(zhì)，因液體的不可壓縮性，溫度升高，閥腔壓力會升高更快。因此為保證閥腔的安全，對兩個閥座均為雙活塞效應(yīng)的雙密封閥座結(jié)構(gòu)的全焊接球閥，必須在閥腔安裝壓力泄放閥，泄放閥的泄放壓力通常設(shè)計為公稱壓力的1.1~1.33倍，泄放閥的通徑通?！?/2 in。

對于管道球閥閥體的密封方式通常組合密封方式，常用方法主要有下面三種：

（1）初級金屬密封，次級軟密封

金屬密封可以減少管道內(nèi)的雜質(zhì)對軟密封閥座的沖刷和擦傷，延長軟密封閥座的使用壽命，同時金屬密封承擔(dān)了大部分來自管內(nèi)介質(zhì)對閥座支撐圈的推力，使閥座受力減小，避免了軟密封閥座因為過載而受到傷害，金屬閥座采用不低于閥門球體的材質(zhì)。

目前軟密封閥座的形狀主要有兩種，一種是Δ形的，一種是O形的，這兩種形狀的密封所用的材料以VITON AED（抗爆氟橡膠）為主，密封原理和性能一樣。Δ形比O形的制造難度大，但 形閥座的裝配難度小，發(fā)作草的加工難度也小于O形密封槽。國外大部分采用 形密封，少數(shù)企業(yè)采用O形密封，國內(nèi)企業(yè)以Δ形密封為主。

（2）初級金屬密封，第二級尼龍密封，第三級橡膠軟密封

目前國內(nèi)外少數(shù)企業(yè)采用三級密封方式，設(shè)計這種結(jié)構(gòu)是考慮到管道有很多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)經(jīng)常會把球面、閥座損壞，造成閥門內(nèi)漏，增加一道尼龍密封，阻擋管道內(nèi)的雜質(zhì)對閥座的沖刷。在閥門開關(guān)過程中，尼龍還起到把球體表面的雜質(zhì)刮掉的作用，從而保護了第三級的橡膠軟密封，有利于延長閥門的使用壽命。但這種結(jié)構(gòu)的尼龍閥座裝配難度比較大，如不采取有效措施，在閥門開關(guān)過程中，尼龍閥座會從閥座槽中脫離出來。再有由于安裝空間所限，尼龍閥座不可能做得比較寬，這樣尼龍閥座很可能因過載而加速損壞，影響其實際效果。

（3）尼龍閥座密封結(jié)構(gòu)

目前有少數(shù)企業(yè)如Cameron等采用尼龍閥座密封結(jié)構(gòu)。尼龍、增強四氟、PEEK等密封材料常用于分體式高壓球閥，在全焊接球閥中并不常使用，因為這些材料相對于viton等氟橡膠類材料來說，比較硬，材料的承壓能力強，但回彈性差，容易受到管道內(nèi)的焊渣、鐵銹、沙子等雜質(zhì)的擦傷、沖刷，其補償性能差，使用壽命難以得到保證，Cameron為提高閥門的使用壽命，采用了旋轉(zhuǎn)閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計，位于閥門3、9點鐘位置的閥座，在閥門開啟過程中，最先與介質(zhì)接觸，最容易受到介質(zhì)的沖刷，為使閥座能均勻受損，在閥門每開關(guān)一次，閥座旋轉(zhuǎn)一定角度，有利于延長閥門的使用壽命。但這種結(jié)構(gòu)大大增加了啟閉力矩，對長期不啟閉的閥門，更容易出現(xiàn)卡死。

另外，以上三種密封方式常與具有緊急密封作用的注脂系統(tǒng)一起使用。該系統(tǒng)由注脂閥和止回閥組成，分別安裝于閥體外側(cè)的閥座部位和閥桿填料函外徑上。該系統(tǒng)是一種補救措施，可以在緊急狀態(tài)下阻止或減少管線閥門密封座的泄露，將閥門的徹底維護延遲到下一個預(yù)定的管線關(guān)閉期。注脂之前，需要對閥座密封部位進行沖洗，且在此過程中閥門需打開15度左右三至四次，以徹底清潔球體與閥座的接觸面。注脂后，要測試密封效果。

3、閥桿及密封

閥桿密封結(jié)構(gòu)也是全焊接球閥的關(guān)鍵技術(shù)之一，此處密封性能若出現(xiàn)問題，介質(zhì)就會外漏，造成環(huán)境污染、引發(fā)火災(zāi)等嚴重后果，因此務(wù)必高度重視。圖所示結(jié)構(gòu)是目前比較常用、也比較有效的一種閥桿密封結(jié)構(gòu)，它由兩道O型圈構(gòu)成兩道密封防線，輔以一道柔性石墨密封，保證了密封的可靠性。柔性石墨密封在發(fā)生火災(zāi)時可以有效地減少介質(zhì)的外漏。

有人將兩道O型圈密封分開，當閥桿密封出現(xiàn)泄漏時，可以對外層密封在帶壓情況下進行檢修更換，這種結(jié)構(gòu)更加先進、合理。國外部分設(shè)計在閥桿密封處采用一道O型圈、一道柔性石墨、一道彈簧制動密封圈結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將三種不同密封材料的優(yōu)點，集合在一起，形成全天候、滿足多工況的密封要求。O型圈回彈性好，密封可靠，但耐高溫、低溫性能差，抗老化性能差；柔性石墨耐高溫性能好，回彈性差，密封不是很可靠；彈簧制動密封圈是一種U形PTFE內(nèi)置特殊彈簧的高性能密封圈，由適當?shù)膹椈闪由舷到y(tǒng)流體壓力，將密封面頂出而壓在被密封的金屬面以產(chǎn)生非常優(yōu)異的密封效果，聚四氟乙烯抗老化、耐低溫，適用介質(zhì)廣泛，彈簧的推力可以彌補密封面的磨損及閥桿表面的微觀不平，是密封更長效、更可靠，這種結(jié)構(gòu)特別適合于含硫天然氣項目。

4、球體與支承軸

球體的加工精度，圓度≤0.005mm ，化學(xué)鍍鎳，鍍層厚度高于閥座的鍍層。對于大口徑，高壓力級閥門球體，應(yīng)作球體變形計算，這種變形足以引起密封失效。

球體的支撐結(jié)構(gòu)有兩種，一種是以支撐板支撐球體，閥桿和球體是獨立的，介質(zhì)推力通過支撐板傳遞到閥體上，閥桿不承受介質(zhì)推力，這種結(jié)構(gòu)可以大大降低閥門的啟閉力矩，有效保護閥桿密封，基本上筒形結(jié)構(gòu)閥體都采用這種結(jié)構(gòu)。另一種結(jié)構(gòu)多用在球形結(jié)構(gòu)閥體上，球體的支撐靠上下閥桿，通過上下閥桿將介質(zhì)推力傳遞到閥體上，這種結(jié)構(gòu)閥桿要承受介質(zhì)的推力，因此啟閉力矩大，閥桿受力會加速閥桿密封的磨損。

5、防火結(jié)構(gòu)

管道閥門需要具有火災(zāi)安全功能，則其結(jié)構(gòu)必須為防火型，而其防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)主要考慮：閥座的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥桿防火結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥體與左右體結(jié)合面的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵，閥座的防火性能良好，在火災(zāi)事故狀態(tài)下，可減輕閥桿防火結(jié)構(gòu)、閥體與左右體之間防火結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。目前常用的方法就是在閥桿及閥座支撐圈部分都加設(shè)了石墨密封，石墨密封耐高溫性能好，在發(fā)生火災(zāi)的時候可以有效地減少介質(zhì)的外漏，具有良好的防火作用。

6、防靜電設(shè)計

由于球體及閥桿與非金屬材料接觸和摩擦，產(chǎn)生靜電，因此在閥桿上/下位置設(shè)置導(dǎo)靜電彈簧，將靜電導(dǎo)通至閥體，并按照標準規(guī)定，使球體與閥體及閥桿與球體之間在12VDC以下，電阻值在10歐姆以下。

7、DBB功能設(shè)計

DBB（雙截斷和排放）功能設(shè)計是指無論是閥門處于開啟狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，閥腔泄壓排放時，上游端和下游端閥座應(yīng)同時截止，并允許從排泄閥處對在線閥門進行閥座密封性能測試，而不影響管線運行。

8、其他設(shè)計結(jié)構(gòu)

其他結(jié)構(gòu)設(shè)計如放空、排污、注脂、吊耳等，國內(nèi)外沒有差異。