管線閥門的發(fā)展

上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司　總工程師　高級工程師　鄔佑靖　

　　摘要：本文從管線工業(yè)發(fā)展需要，全面論述管線球閥的設(shè)計、制造、試驗、標(biāo)準(zhǔn)與服務(wù)，數(shù)值仿真技術(shù)在設(shè)計制造中的應(yīng)用。

　　According to the development of Pipeline industry, the designs (also involving numerical simulating technique), manufactures, testings, standards and services are all presented for the pipeline ball valves, the great prospect of the pipeline ball valve industry in China is also reported here.

　　關(guān)鍵詞：管線球閥 球閥

　一、 前言

　　1914年，排在頭一位的條9公里長的輸油管線在美國中部建成，從此拉開管道工業(yè)發(fā)展的序幕。用管線來輸送液體或氣體，其成本是鐵路運輸?shù)?/3，海上運輸?shù)?/3，所以近一百年來獲得了迅速的發(fā)展。長距離輸送管道稱之謂長輸管線，長輸管線上使用的閥門稱之謂管線閥門，有球閥、閘閥、止回閥、旋塞閥，是一種滿足管道運輸?shù)奶厥庖螅邆涮厥夤δ艿膶Ｓ瞄y門。對于球閥則稱之謂管線球閥。規(guī)范管線球閥的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是美國石油協(xié)會頒發(fā)的API規(guī)范6D《石油天然氣工業(yè)－管道輸送－管線閥門》，較新版本2000年1月頒布的第22版，以及1999年頒發(fā)的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14313-1999。

　　實際上管道工業(yè)的迅速發(fā)展是二十世紀(jì)五十年代的事，根據(jù)《Pipeline》雜志2000年統(tǒng)計，全世界已建成管線260萬公里，其中輸油管線80萬公里，輸氣管線140萬公里，其他石油化工產(chǎn)品輸送管線40萬公里。輸油輸氣管線是一條能源供應(yīng)線，是一條生命線，已遍布全球，并且每年仍以3萬公里的速度遞增。管線閥門的較高壓力級PN42.0Mpa（Class2500），閥門較大通徑60英寸（DN1500）。

　　世界上著名的長輸管線如美國阿拉斯加到大西洋東海岸長島的原油輸送管線，穿過北極圈凍土層和美國五大湖的沼澤地；俄羅斯橫貫西伯利亞的輸油管線；地中海地區(qū)從阿爾及利亞經(jīng)摩洛哥至西班牙的輸氣管線，全長2000公里，穿過沙漠，阿特拉斯山脈和直布羅陀海峽；在東南亞從菲律賓經(jīng)馬來西亞、爪哇、蘇門答臘，至泰國全長6276公里輸氣管線，其中1094公里海底輸氣管線，等等。

　　球閥的結(jié)構(gòu)可追溯到1904年，已有人申請了結(jié)構(gòu)專利，但一直未獲得商品化，它的發(fā)展也是20世紀(jì)50年代的事，這是由于1943年美國杜邦公司聚四氟乙烯塑料的發(fā)明，這種材料具有一定的彈性，自潤滑性，優(yōu)良的耐腐蝕性，十分適宜于作為閥門的密封材料。以及車球機(jī)、磨球機(jī)的進(jìn)步。由于這種閥門是全通徑、低流阻，十分適宜作為長輸管線用閥，所以管線球閥已逐步取代管線閘閥、旋塞閥，是一種近50年來發(fā)展較快的一個閥門新品種。

　二、 管線輸送對管線球閥的嚴(yán)格要求

　　長輸管線是全球性的，是一條能源供給線，從北極圈到赤道，從高山到海底，從高原到沙漠，其間穿過地震帶、沼澤地、凍土層、江河、湖泊、山坡。有架設(shè)的，有直埋地下，在野外操作，維修困難，要求30年使用壽命。一般輸送原油、天然氣，雖經(jīng)處理但含硫，含鐵銹及金屬顆粒，且要求零級密封，實際的使用環(huán)境惡劣和能源供給線的重要性，對管線球閥提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求.

　　1、 強(qiáng)度和韌性
　　閥門除了承受內(nèi)部介質(zhì)壓力之外，尚需承受地基承載，由于環(huán)境溫度變化而引起的軸向拉力和壓力，考慮滑坡，地面沉降，洪水而引起的外部載荷，在寒帶及冰凍地區(qū)尚需考慮材料低溫沖擊韌性，防止低溫脆性斷裂。對于全焊接閥體球閥，焊縫及熱影響區(qū)，需要按照斷裂力學(xué)理論，考慮其斷裂韌性（CTOD）

　　2、零級的密封要求
　　閥門要求零級密封，以確保對下游端管線的有效截斷，考慮介質(zhì)中金屬顆粒對零級密封的影響，金屬對金屬密封作為初級密封,PTFE/橡膠對金屬作為次級密封,以及一旦密封失效時應(yīng)采取緊急密封措施。

　　3、具備失火安全和防靜電功能；
　　管線球閥設(shè)計需考慮失火安全（fire safe）,一旦失火，閥門的外漏和內(nèi)漏不能超過API607規(guī)定的泄漏標(biāo)準(zhǔn)；球體被非金屬材料夾持，可能產(chǎn)生靜電，必須與閥體導(dǎo)通，在24VDC下，電阻值<10歐姆。

　　4、DBB功能（Double Brock & Bleed）
　　在閥腔排泄時，上游端閥座和下游端閥座應(yīng)同時自動切斷，以確保排放時的安全。

　　5、防止閥腔壓力的夾持；
　　無論閥門處于開啟或關(guān)閉位置，均應(yīng)防止介質(zhì)在閥腔中被夾持，如果介質(zhì)可能夾持，則對于氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)均要確保自動泄放閥腔內(nèi)的壓力，閥腔壓力泄放的較大值不超過閥壓力額定值的1.33倍，外部壓力泄放閥的口徑為DN15或更大。

　　6、排泄
　　閥腔的介質(zhì)可以排泄；并通過此排泄孔對閥門進(jìn)行在線密封檢測。

　　7、位置指示
　　無論手動或動力驅(qū)動，要有明顯的閥位指示表明閥門處于開啟位置或關(guān)閉位置；

　　8、傳動鏈
　　傳動鏈的設(shè)計扭矩至少應(yīng)為球閥較大扭矩的2倍。

　　9、硫化工況
　　承壓部件及螺栓材料應(yīng)具有抗應(yīng)力裂化的能力，符合NACE,MR 0175要求.

　　10、緊急切斷功能
　　長距離管道輸送系統(tǒng)采用衛(wèi)星監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA System），當(dāng)管線壓降速率或持續(xù)時間達(dá)到某一設(shè)定值，閥門應(yīng)緊急切斷；

　　11、考慮地下水的電位腐蝕和應(yīng)力腐蝕.
　　采用全焊閥體結(jié)構(gòu)，管道陰極接地和外表面防腐，來防止電位腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

　三、國外管線球閥的發(fā)展

　　管線球閥經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上形成二大流派。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，Schuck公司，美國Larsen&Toubro公司，日本KITZ公司，TIX公司，TUBOTA公司，以及俄羅斯圖拉的Tyazhpromarmatuva公司，如圖（一）所示；另一流派以意大利Grove公司為代表，采用分體式筒狀結(jié)構(gòu)，爾后在此基礎(chǔ)上發(fā)展成全焊接筒狀閥體結(jié)構(gòu)，如圖（二）所示。屬于這一流派的有意大利新比隆公司（Nuovo Pignone），PCC公司，PERAR公司，B.F.E公司，PIBIVIESSE公司，F(xiàn)CT公司，美國PBV公司，捷克的Czechoslovikia公司?！　?/p>

　　美國Cameron公司產(chǎn)品的技術(shù)特征：全焊接球狀閥體，尼龍或PTFE密封材料，可轉(zhuǎn)動閥座，上下閥桿軸支承，進(jìn)口端密封，出口端腔體壓力自動向下游端泄放。如圖（一）（a）所示。
　　美國Cameron公司在五十年代就完成全焊接球形閥體結(jié)構(gòu)，以其高的可靠性，經(jīng)半個世紀(jì)全球性的商品化銷售，仍保留原結(jié)構(gòu)設(shè)計特征而成為著名品牌，廣泛用于重要的長輸管線中，如美國阿拉斯加原油輸送管線。
　　意大利　Grove公司以雙活塞效應(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，在市場上取得競爭地位，廣泛用于長輸管線的場站，增壓站。爾后發(fā)展的圓筒狀或準(zhǔn)圓筒狀全焊接閥體球閥在長輸管線中亦用作緊急切斷閥。
　　在某些場合，客戶需要在線維修，可選用上裝式球閥結(jié)構(gòu)。
　　　　　　　
　　由于商業(yè)上的競爭，促進(jìn)技術(shù)上也相互交融。Cameron公司的Dynaseal 370系列產(chǎn)品即為分體式結(jié)構(gòu)，與全焊接閥體產(chǎn)品配套銷售；Grove公司也推出準(zhǔn)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則吸收二大流派的優(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)，橡膠密封材料的管線球閥產(chǎn)品，綜合了各流派的技術(shù)優(yōu)勢。如圖（四）所示。

　四、管線球閥設(shè)計理念

　　管線球閥的設(shè)計理念較根本的是安全和可靠性。無論是長輸管線或者是城市管網(wǎng)都是能源的供給線，是一條國家經(jīng)濟(jì)命脈線。全球性的地下輸油、輸氣管線和管網(wǎng)，就象地上輸配電網(wǎng)一樣，是城市工業(yè)和民用賴以生存的基礎(chǔ)，沒有這條能源供給線，現(xiàn)代化城市功能立即停止。

　　長輸管線嚴(yán)酷的自然條件，從北極圈-70C°到赤道沙漠＋70 C°的溫度；經(jīng)受地震、地基沉降，泥石流，滑坡，洪水等自然災(zāi)害；地下水的電位腐蝕，含硫介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕等均是造成事故的誘發(fā)因素。城市管網(wǎng)爆炸已常見不鮮，自然災(zāi)害而造成的管線破壞也常有報道，如漢城城市天然氣管網(wǎng)破裂引起大火，在國內(nèi)如1984年鐵秦管線，因連日暴雨，秦皇島大石河水庫開閘，沖斷輸油管線，3000噸原油流入大海；1996年馬惠線，環(huán)江上游洪水暴發(fā)，沖斷管線，1000噸原油泄漏。根據(jù)《Pipeline》雜志，Sealweld公司估計，一只36”管線球閥的價格約45，000～65，000美元，故障需排盡上游端和下游端管線的天然氣損失約50，000～100，000美元。因此，管線球閥的設(shè)計和制造，對安全性和可靠性的強(qiáng)調(diào)，無論如何亦不為過分。而且這一理念應(yīng)貫徹在產(chǎn)品設(shè)計，工藝規(guī)范，零件加工，型式試驗，產(chǎn)品試驗，質(zhì)量控制，售后服務(wù)的全過程。

　五、管線球閥設(shè)計

　　1、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)是雙焊縫，焊接過程熱量輸入大，殘余應(yīng)力復(fù)雜，軸向和徑向變形大。球狀結(jié)構(gòu)Cameron公司是四條焊縫拼接，現(xiàn)在由于工藝技術(shù)進(jìn)步，采用左右閥體熱鍛壓成型，可中間單焊縫焊接成型，減少線能量輸入，降低軸向和徑向變形。
　　分體式結(jié)構(gòu)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(qiáng)度應(yīng)按與閥體內(nèi)徑相當(dāng)?shù)姆ㄌm進(jìn)行類比設(shè)計，其連接強(qiáng)度必須防止管道應(yīng)力而產(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。

　　閥體的材料為鍛件，溫度-29C°以上選用ASTM A105；-29C°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(dāng)量以及硫、磷等元素應(yīng)另有特殊限制。鍛件按三級鍛件標(biāo)準(zhǔn)驗收，做100％無損探傷，焊縫處做著色檢查和超聲波探傷。

　　2、密封座與密封
　　閥座采用組合密封結(jié)構(gòu)，即金屬對金屬的初始“密封”，以阻擋固體顆粒的進(jìn)入；用橡膠、PTFE塑料、尼龍、PEEK等軟密封作為次級密封，以保證“零”級泄漏，如圖（六）所示。但由于管線中的異物的意外導(dǎo)入對軟密封材料的損壞，管線球閥均設(shè)有緊急密封劑的注入系統(tǒng)，以獲得暫時性的密封要求。

　　密封用的橡膠圈有圓形，三角形或其他特殊形狀。每一公司都有自己的設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝措施，防止橡膠圈在開關(guān)過程中被吹出 （Blow out）或切壞。對于Class900磅級以上，應(yīng)選用防爆降壓(AED)特性的材料作為O型圈材料。
PTFE的密封圈，一般采用筒狀鑲嵌式結(jié)構(gòu)，亦可做成倒鉤狀組合式結(jié)構(gòu)，旨在保證密封圈不被吹出而導(dǎo)致密封失效。
密封座材料與閥體材料相同，化學(xué)鍍鎳，有彈簧加載以保證初始密封比壓，彈簧可采用螺旋彈簧，板彈簧或碟形彈簧，材料為Inconel X－750。
　　進(jìn)口端和出口端閥座采用對稱雙向密封設(shè)計。這種活塞式的介質(zhì)自密封結(jié)構(gòu)，按照客戶需要可設(shè)計成“單活塞效應(yīng)”（Single piston action），壓力自泄放密封座結(jié)構(gòu)（圖七）和“雙活塞效應(yīng)”（Double Piston effect）雙重密封結(jié)構(gòu)。

　　單活塞效應(yīng)即進(jìn)口端密封，出口端腔體壓力自動排放。
　　雙活塞效應(yīng)即進(jìn)口端、出口端同時密封，無論是氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)，腔體必須設(shè)有安全閥，以保證壓力泄放。
單活塞效應(yīng)和雙活塞效應(yīng)設(shè)計的閥座，其腔體壓力排放是有區(qū)別的。雙活塞效應(yīng)設(shè)計是腔體壓力超過壓力等級相應(yīng)的壓力值的1.33倍時排放，且排放至大氣環(huán)境。而單活塞效應(yīng)的設(shè)計則是只要腔體壓力大于下游端管線壓力就自動排放至下游管線。因此，一般公司把單活塞效應(yīng)產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，雙活塞效應(yīng)產(chǎn)品作為選項產(chǎn)品。
　　設(shè)置安全閥時，安全閥口徑應(yīng)≥1/2”，泄放壓力≤1.33倍額定壓力。閥座與連接體配合處應(yīng)有失火安全設(shè)計，與閥座配合處連接體內(nèi)表面應(yīng)局部化學(xué)鍍鎳。

　　3、球體與支承軸
　　管線球閥口徑（2”或2”以上）大都采用支承球、浮動閥座結(jié)構(gòu)（Trunnion mounted Ball and Floating Seat）。作用在球體上的介質(zhì)力有兩個滑動軸承支撐，對于高壓、大口徑，這一軸向推力可達(dá)到幾十噸至幾百噸，滑動軸的比壓必須進(jìn)行計算，其許用比壓不能超過供貨商提供的滑動軸套許用比壓。許多公司都用不銹作為基體，內(nèi)襯PTFE塑料，這種軸承套承載比壓可達(dá)200～400Mpa，許用比壓取100～200Mpa，且摩擦系數(shù)低，可降低球閥的操作扭矩。
　　支承軸的設(shè)計，一種是在球上車削成上下軸頸，并用二個上下支撐板支承，中間內(nèi)置由PTFE內(nèi)襯的不銹鋼軸套，支承軸長度L與軸頸d之比，由于結(jié)構(gòu)限制取L/d=0.4~0.8。另一種設(shè)計是球體車削成內(nèi)孔，上下由二個支承軸，支承在閥體上，這種設(shè)計一般L/d=1.2~2.。這二種結(jié)構(gòu)，前者由于軸頸粗而短，所以球閥的阻力矩較大，而后者的上支承軸，同時又是傳動扭矩的閥桿，所以是處于復(fù)合的受力狀態(tài)，支承軸（閥桿）的材料可選用ANSI 4140并需化學(xué)鍍鎳。閥桿與球體扭矩的傳遞可用單鍵、雙鍵、花鍵連接，亦有直接連接裝配后與球體焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
　　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，高壓力級閥門的球體，應(yīng)作球體變形計算，這種變形足以引起密封失效。

　　4、閥桿與填料
　　標(biāo)準(zhǔn)的閥桿安全設(shè)計應(yīng)防止在工作壓力下被“吹出”，閥桿上防吹出的凸緣處置一環(huán)狀環(huán)，以減少摩擦系數(shù)。填料可采用二級“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緊急狀態(tài)下外部密封劑的注入系統(tǒng)。在閥桿與球體接合部以及閥桿與閥體接觸處應(yīng)有一防靜電機(jī)構(gòu)，防止靜電在球體上集聚。

　　5、DBB功能設(shè)計
　　DBB功能設(shè)計是指無論是閥門處于開啟或關(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（Double Block & Bleed），并允許從排泄閥處對在線閥門進(jìn)行閥座密封性能測試，而不影響管線運行。

　　6、緊急密封系統(tǒng)的設(shè)計
　　緊急密封系統(tǒng)由注射器（Injector）和止回閥(Check Valve)組成，分別安裝在閥體上，在閥座處的外測和閥桿填料處外側(cè)。緊急密封系統(tǒng)可以用來阻止或減少管線中閥門密封座的泄漏，密封劑注射前要進(jìn)行清潔和沖洗，有專門生產(chǎn)的清潔劑和密封脂，用手動或電動的工具將清洗劑或密封脂從注射器口注入，并按供貨商所提供的使用說明進(jìn)行清潔和緊急密封操作。

　　7、失火安全與防靜電設(shè)計
　　失火安全與防靜電設(shè)計已在支承軸、密封座章節(jié)中予以說明，防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計，在24VDC下測定，電阻值不超過10歐姆。

　　8、閥門的操作
　　閥門的操作，有手動、蝸輪傳動、氣動（雙作用或彈簧復(fù)位），高壓氣動（直接使用管線氣體）、電動、液動（雙作用或彈簧復(fù)位）以及氣液聯(lián)動。氣液聯(lián)動可實施本地和遠(yuǎn)程控制，與衛(wèi)星遙控的SCADA系統(tǒng)相配合，當(dāng)下游壓力降的速率或持續(xù)時間超多設(shè)定值時，（即管線爆裂），緊急切斷閥自動截斷，并帶有救急性的蓄壓器，供手動操作。

　　9、端部設(shè)計
　　連接端按客戶要求，有法蘭連接端和焊接端。
　　法蘭連接端應(yīng)帶凸面或環(huán)形槽，其尺寸、公差與光潔度、以及打孔、法蘭面，锪孔、倒孔等應(yīng)按下列標(biāo)準(zhǔn)；
　　　　DN600及其以下，按ASME B16.5，其中DN550按MSS-SP44；
　　　　DN650以上按ASME B16.47中A系列
　　焊接端應(yīng)按ASME B31.4中434.8.6節(jié)圖（1）、（2）或ASME B31.8中圖（14）和（15）。

　　10、螺栓
　　體連接螺栓用ASTM A 193 B7材料制造，螺母用ASTM ( ) 制造，并符合NACE-TM 0284規(guī)定，客戶可以要求作著色試驗，按ASME第V篇24款進(jìn)行。

　　11、直埋地下
　　直埋地下的閥門為全焊接閥體管線球閥，閥桿按客戶要求接長，閥桿接長部分設(shè)計應(yīng)牢固，能抗地面承載，所有閥體上的連接管、密封劑注入器，底部排泄閥、安全泄放裝置均接至地表，接管與閥體焊接。接長桿的設(shè)計，其長軸的繞曲和傳動鏈結(jié)合部的間隙應(yīng)予控制，防止開關(guān)過程中，球體不能準(zhǔn)確地處于關(guān)或開的位置，造成傳動失誤。

　　12、范圍
　　按API標(biāo)準(zhǔn)6D，以及制造廠的裝備能力，產(chǎn)品的供貨范圍：
　　　　　Class100－600磅級 DN1/2”-60”
　　　　　Class900磅級 DN1/2”-36”
　　　　　Class1500磅級 DN1/2”-16”
　　　　　Class2500磅級 DN1/2”-12”
　　在特殊場合，國外供貨商可提供：
　　　　　Class150－600磅級 較大口徑至DN72”
　　　　　Class900磅級 較大口徑至DN40”
　　　　　Class1500磅級 較大口徑至DN36”
　　　　　Class2500磅級 較大口徑至DN24”

　六、數(shù)值仿真技術(shù)

　　采用有限元分析的數(shù)值仿真技術(shù)作為管線球閥的輔助設(shè)計是必要的，對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，復(fù)雜的焊接工藝過程，可為設(shè)計和焊接工藝優(yōu)化提供有力的論證，下列零件的設(shè)計與制造可以進(jìn)行數(shù)值仿真：
　　1、分體式管線球閥閥體及連接螺栓應(yīng)力分析；
　　2、全焊接閥體管線球閥閥體的應(yīng)力分析；
　　3、全焊接閥體焊接過程的溫度場分布，焊接殘余應(yīng)力分布，焊接軸向變形和徑向變形預(yù)測，
　　4、焊接過程對支撐板受力狀態(tài)的影響；
　　5、球體的變形預(yù)測，尤其對于大口徑，高壓力級在介質(zhì)力作用下球體可能發(fā)生變形，這種變形應(yīng)控制在加工圓度的公差范圍內(nèi)
　　6、 全焊接閥體球閥強(qiáng)度分析；
　　7、全焊接球形閥體結(jié)構(gòu)的上下支承軸承受彎矩和扭矩的復(fù)合載荷作用，應(yīng)作應(yīng)力分析；
　　8、扭矩傳遞系統(tǒng)設(shè)計與故障失效分析；
　　9、對于快速啟閉球閥（<0.5秒）傳動軸的動應(yīng)力分析；

　七、管線球閥制造

　　1、球體加工
　　高的密封性能和低的操作扭矩是球閥設(shè)計工作者追求的二個既定目標(biāo)，而這一目標(biāo)的解決取決于車球機(jī)和磨球機(jī)的進(jìn)步。國內(nèi)球體加工普遍采用車削法，即在普通車床上增加一個回轉(zhuǎn)刀架，其特點是簡單，操作方便。但由于切削刀尖的磨損和切削線速度的差異，球體的加工精度、圓度均存在問題，特別是大口徑的球體加工就難以滿足設(shè)計要求。這就是國產(chǎn)球閥扭矩大，密封性能差的原因。解決的方法是采用銑削＋磨削，或者采用具有補(bǔ)償功能的數(shù)控車球機(jī)，并帶有精度在線檢測裝置。

　　2、閥體焊接
　　全焊接閥體焊接工序是產(chǎn)品組裝后進(jìn)行，是較后一道工序。焊接后不再允許拆卸。這種產(chǎn)品越來越多，稱之為“焊接產(chǎn)品”。閥體的焊接應(yīng)解決幾個問題：
　　　　焊接過程溫度場的預(yù)測與控制；
　　　　焊接過程軸向變形、徑向變形的預(yù)測與控制；
　　　　焊接過程殘余應(yīng)力的控制；
　　要解決這一問題要選用一種焊接方法，優(yōu)化焊接工藝，包括母材、焊絲、焊劑的選擇，焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化，自動化焊接設(shè)備的制造。并對焊接工藝進(jìn)行評定，以及對焊接工藝的“焊后免熱處理”通過專家評估。
　　閥體焊接設(shè)備需要專用焊接工裝及設(shè)備

　八、管線球閥試驗

　　為了確保產(chǎn)品的可靠性，國外的公司對管線球閥做了大量的型式試驗和可靠性試驗，這些試驗是：
　　1、外載荷彎曲試驗
　　　　目的：考核抗地面沉降，泥石流、洪水、基礎(chǔ)載荷的能力，如圖（十七）所示。
　　　　方法：對于Class600，DN750的試驗球閥施加367噸 /米的彎矩，測量：（a）閥門和管道的應(yīng)力；（b）以空氣介質(zhì)在102Kgf/cm2壓力下測試外部和內(nèi)部的密封性能；（c）測量球閥的開啟和關(guān)閉扭矩的變化；

　　2、外載荷拉伸、壓縮試驗
　　　　目的：考核由于溫度變化而引起的軸向載荷和安裝載荷的影響，如圖（十八）所示。
　　　　方法：對于Class600，DN750mm的試驗球閥施加2033噸的拉伸力和2033噸壓縮力。測量（a）閥門和管道的應(yīng)力；（b）以空氣為介質(zhì)，加壓至6Kgf/ cm2，測試外部和內(nèi)部的密封性能；（c）測試開啟與關(guān)閉扭矩；上述二項試驗其結(jié)果應(yīng)力值應(yīng)在允許的范圍內(nèi)，無外部和內(nèi)部泄漏；開關(guān)的扭矩未發(fā)生變化；

　　3、吹風(fēng)試驗
　　　　目的：考核密封結(jié)構(gòu)在開關(guān)過程中的可靠性。
　　　　方法：以空氣為介質(zhì)，吹入70Kgf/ cm2壓縮空氣，閥門的開度為6％～15％，檢查密封座無異常現(xiàn)象發(fā)生，亦未發(fā)生泄漏；

　　4、異物吹入試驗
　　　　目的：異物侵入對密封性能的影響
　　　　方法：7號沙，粒度為0.05~0.14mm，在70Kgf/ cm2壓力下吹入1500克，開關(guān)30次，檢查對密封面的損壞狀況，并做低壓密封試驗應(yīng)合格。

　　5、異物磨損試驗
　　　　目的：磨損試驗
　　　　方法：分別將7號沙，粒度0.05~0.14mm，5號沙，粒度0.4~1.6mm，3號沙，粒度1.1~2.3mm以及鐵屑各300克，置于閥體底部，分別開關(guān)30次，檢查泄漏情況。對于沙粒試驗每分鐘泄漏在1cc以下為良好，對于鐵屑每分鐘250cc以下為良好。

　　6、緊急密封脂注入試驗
　　　　目的：當(dāng)密封面損傷（深度<0.4mm的劃痕），密封失效時，注射密封脂，恢復(fù)其密封性能。
　　　　方法：人為使密封面損傷，產(chǎn)生500cc/min的泄漏，用高壓注射槍，將密封脂注入，并開關(guān)幾次，按閥門試驗規(guī)程進(jìn)行密封試驗，恢復(fù)至零級泄漏。

　　7、承載試驗
　　　　目的：直埋地下的閥門，承受地基的均布載荷，考核其可靠性。
　　　　方法：對閥門和伸長桿施加一個彎曲力矩，對于Class600，DN600的球閥彎曲力矩是7.6噸/米。在40Kgf/cm2壓力下，進(jìn)行氣密封試驗和開關(guān)試驗。對閥桿伸長段進(jìn)行應(yīng)力測定。其結(jié)果應(yīng)該是：閥門未發(fā)生泄漏；開關(guān)扭矩未發(fā)生變化；伸長桿的應(yīng)力在許用范圍內(nèi)。

　　8、抗震試驗
　　　　目的：閥門抵抗地震的能力測定，如圖（十九）所示。
　　　　方法：振動速度12.2Kine，震動加速度1373伽的情況下，測試其密封性能和進(jìn)行開關(guān)扭矩測定。

　　9、長期浸漬試驗
　　　　目的：考核材料的抗硫特性
　　　　方法：在輸送的原油中長期浸泡，測定材料的機(jī)械性能的變化。

　　10、火燒試驗
　　按照API標(biāo)準(zhǔn)6D附錄A的規(guī)定：閥門的火燒試驗應(yīng)按ISO10497標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行火燒試驗驗證。按照BS6755第二部分，API標(biāo)準(zhǔn)6FA，API標(biāo)準(zhǔn)6FC，API標(biāo)準(zhǔn) 6FD，或API標(biāo)準(zhǔn)607驗證的防火結(jié)構(gòu)也可以采納。

　　11、壽命試驗
　　在全壓差下開關(guān)1000次，每隔100次，測量其泄漏量，其結(jié)果應(yīng)為零。
　　至于閥門的出廠的常規(guī)試驗應(yīng)按API標(biāo)準(zhǔn)6D和API標(biāo)準(zhǔn)598，作以下項目的出廠試驗：
　　　　壓強(qiáng)度試驗
　　　　低壓密封試驗
　　　　高壓密封試驗
　　　　DBB功能試驗
　　　　安全閥超壓排放試驗
　　根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)附錄C的規(guī)定，購方可以規(guī)定要求制造廠作下列附加試驗：
　　1) 液壓靜態(tài)試驗壓力和持續(xù)時間高于API6D的規(guī)定；
　　2) 高壓氣體試驗，用高壓氣體替代高壓液體作密封試驗
　　3) 防靜電試驗，用12VDC測量，電阻值不能超過10歐姆；
　　4) 扭矩測試
　　5) 閥腔壓力泄放試驗；
　　6) 氫裂試驗；材料的氫裂試驗按NACE TM0284規(guī)定來驗證。

　九、管線閥門問題與預(yù)防

　　閥門出廠后經(jīng)常發(fā)生問題，這些問題應(yīng)引起供需雙方的關(guān)注。
　　1、存放不當(dāng)
　　閥門不能露天存放，應(yīng)置于通風(fēng)，干燥處，制造廠應(yīng)規(guī)定存放時間，存放時不能拆除閥門兩端的保護(hù)蓋。
閥門吊裝不能把執(zhí)行器作為起吊點，注意法蘭面不能碰傷。
　　2、安裝不當(dāng)
　　不能用閥門來支撐管道，安裝時法蘭或焊接端應(yīng)對齊，防止因管線熱脹而引起應(yīng)力超值。
　　3、焊接不當(dāng)
　　按照正確的工藝規(guī)范進(jìn)行焊接；
　　控制焊接溫度，防止密封材料損壞。
　　焊前在密封環(huán)帶處涂抹黃油，應(yīng)用氬弧焊打底，防止焊接飛濺物嵌入密封面。
　　4、啟動過程的損壞
　　啟用前管線需經(jīng)清潔，清除管內(nèi)銹垢，沉積物，異物，防止對密封表面的損壞。
　　閥門不能長期停留在半開半閉位置。
　　在管線強(qiáng)度試驗后，務(wù)必徹底排空液體，水中的氯化物會導(dǎo)致閥門腐蝕，強(qiáng)度試驗水中的氯化物含量需進(jìn)行控制，并添加防銹劑。
　　5、使用不當(dāng)
　　開關(guān)閥不能用作調(diào)節(jié)流量之用，嚴(yán)禁在半開半閉狀態(tài)下使用，閥門應(yīng)保持在全開位置或全關(guān)位置。
　　6、腐蝕
　　閥門制造與選用必須考慮介質(zhì)中H2S含量和氯化物的含量，選材和熱處理必須符合NACE MR-01-75要求
　　7、 密封材料的選擇不當(dāng)
　　選用橡膠O型圈作為密封材料時，對于Class600磅級以上，應(yīng)選用經(jīng)過驗證的具有防爆減壓（AED）特性的材料。
　　8、傳動機(jī)構(gòu)問題
　　閥門開關(guān)位置不到位是經(jīng)常發(fā)生的問題，制造商必須保證傳動鏈每一環(huán)節(jié)的制造精度，特別是接長桿的球閥，出廠前應(yīng)檢查閥門開關(guān)位置和指示位置的一致性。

　十、閥門標(biāo)準(zhǔn)

　　管線球閥設(shè)計、制造、試驗規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)是API標(biāo)準(zhǔn)6D，該標(biāo)準(zhǔn)提出建議，適用于滿足石油和天然氣工業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13623要求的管線系統(tǒng)，國內(nèi)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是GB：
　　1、全通徑或縮徑的通徑尺寸按API標(biāo)準(zhǔn)6D。
　　2、管線閥門的壓力等級按API標(biāo)準(zhǔn)6D，壓力溫度等級按ASME16.34。
　　3、管線閥門連接長及公差按API標(biāo)準(zhǔn)6D。
　　4、法蘭端尺寸24”以下按ANSI B16.5；26”以上按ANSI B16.47。
　　5、對接焊端部尺寸按ASME B 16.25。
　　6、法蘭面加工按ANSI B16.5。
　　7、排泄孔與泄放孔管徑按API標(biāo)準(zhǔn)6D。
　　8、壓力試驗按API標(biāo)準(zhǔn)6D和API標(biāo)準(zhǔn)598。
　　9、失火安全設(shè)計與試驗按BS6755，第二部分；API標(biāo)準(zhǔn)607，API標(biāo)準(zhǔn)6FA。
　　10、材料應(yīng)符合相應(yīng)的ASME標(biāo)準(zhǔn)以及NACE MR 0175，NACE MR 0103標(biāo)準(zhǔn)。
　　11、閥門的焊接符合ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范 第IX卷焊接與釬焊評定，BS7448 斷裂韌性試驗 第二部分。
　　12、閥門探傷符合ASME 鍋爐和壓力容器第V卷 無損檢測。
　　13、閥門標(biāo)記應(yīng)符合MSS-SP-25或API標(biāo)準(zhǔn)6D。
　　14、ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第VIII卷壓力容器制造規(guī)則。

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