長輸管線球閥結構的設計研究 摘要：本文根據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展，國家提出開發大西部的重大決策。開發新疆地區的石油和天然氣資源，就是開發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。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，全線長約4200公里。管線輸送已成為當代物料運輸的主要方式之一，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。據統計，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的經驗來看，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，所經地區氣候惡劣，環境溫度變化范圍為－30oC——＋80oC，環境條件差。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.管線球閥的發展　　 長輸管線的發展，經過幾十年的時間，在我國以初具規模，特別是管線球閥的發展，目前在國內管線上應用的國產管線球閥，參數已達到了PN6.4MPa，DN1000mm，但與西氣東輸工程中要求的參數，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，發送或通過管道清洗球，防止事故發生，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。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：公稱蝶閥PN=10.0MPa 公稱通經DN=1000mm 實際通經D=1016mm 環境極限溫度-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，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也可以用于周期性情況閥座的密封區域。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，現在，各閥門制造廠大部分選用國外的氣液聯動的緊急切斷裝置，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.管線球閥的發展趨勢　　 近年來，排泥閥著長輸管線的快速發展，管線球閥作為緊急切斷的閥門之一，發展速度也非常快，主要呈現以下幾個方面的發展趨勢： 6.1大型化、高參數　　 目前，管線球閥已發排污閥大公稱壓力PN=14.0MPa，DN=1400mm，大型化、高參數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，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。