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

管道球閥的發(fā)展

管道球閥經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展，在結構設計上形成兩大流派。一派以美國Cameron公司為代表，采用全焊接球狀閥體結構。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，采用非提示筒狀結構和在此基礎上發(fā)展起來(lái)的全焊接筒狀閥體結構。同屬于這一類(lèi)的有意大利的NuovoPignone公司，PCC公司，PERAR公司，PIBIVIESSE公司，B.F.E公司，FCT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，可轉動(dòng)閥座，上下閥桿軸支撐，進(jìn)口端密封，出口端腔體壓力自動(dòng)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構，以其高可靠性廣泛應用于油氣長(cháng)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，防爆橡膠O型圈或PTFE密封材料，支撐板支軸球結構，分體式閥體，便于維修，廣泛應用于油氣長(cháng)輸管道的場(chǎng)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(cháng)輸管道中亦用作緊急切斷閥。在某些需要在線(xiàn)維修的場(chǎng)合，可以選用上裝式結構管線(xiàn)球閥。在其后的發(fā)展過(guò)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)品極為分體式結構，與全焊接閥體產(chǎn)品配套銷(xiāo)售；Grove公司也推出準球狀的全焊接閥體結構在主管線(xiàn)中獲得應用。而其他公司如TIX，TITZ則吸收兩大流派的優(yōu)點(diǎn)，根據各自制造工藝特點(diǎn)，推出球狀全焊接閥體，雙活塞效應，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。

管道球閥的結構特點(diǎn)及工作原理

1、閥體

閥體可分為全焊接閥體設計和分體式閥體設計。

全焊接閥體設計有筒狀結構和球狀結構，筒狀結構制造工藝較簡(jiǎn)單，便于裝配定位，返修容易實(shí)施，坯件制造所需模具簡(jiǎn)單，費用相對較低，而且方便采用支撐板對球體進(jìn)行固定。但重量大，材料成本高。同時(shí)由于多采用雙焊縫，焊接過(guò)程熱輸入量大，殘余應力復雜，軸向和徑向變形大。在閥門(mén)安裝在管線(xiàn)上后，閥體承受極大地管道應力和管線(xiàn)載荷，同時(shí)由于安裝誤差、底層運動(dòng)和熱變應力等因素影響，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(xiàn)載荷，不易產(chǎn)生變形。球形閥體結構受力狀況優(yōu)于筒形

閥體結構，抗彎曲、抗擠壓能力強，閥體設計壁厚小，重量輕，結構整體性能好，但其制造工藝相對復雜，在閥內做球體支撐不易實(shí)施，一次性開(kāi)模費用較高，但批量生產(chǎn)成本低于筒狀結構閥門(mén)。目前，球狀閥體結構有三種焊接形式：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。這種結構閥體成型所需模具相對較為簡(jiǎn)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)生應力集中。第二種球形閥體結構是，左右兩個(gè)閥體為球形，中間為圓柱形，三體通過(guò)兩道對稱(chēng)縱向焊縫組焊而成，這種結構工藝性較好，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構。第三種是采用單條焊縫焊接的閥體結構，現在由于工藝技術(shù)進(jìn)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(jìn)行焊接，此種結構閥體成型需要專(zhuān)門(mén)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等公司采用此種結構。

分體式結構又分為側裝式和頂裝式兩種。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按與閥體內徑相當的法蘭進(jìn)行類(lèi)比設計，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(wú)間隙。密封必須滿(mǎn)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(zhù)近年來(lái)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構。

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、磷等元素應另有特殊限制。鍛件按三級鍛件標準驗收，做100%無(wú)損探傷，焊縫處做著(zhù)色檢查和超聲波探傷。

2、閥座及密封

閥座密封結構是全焊接球閥的關(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，通常在結構設計上采取以下措施：

（1）雙活塞效應的雙密封閥座結構

雙活塞效應是指在這種結構里，閥座與球體密封中心與發(fā)作密封圈的中心在一個(gè)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(dòng)的活塞，同時(shí)具有兩個(gè)活塞。所謂雙密封座，是指就一個(gè)閥座而言，在兩個(gè)方向均能實(shí)現密封的閥座結構。即當上游介質(zhì)壓力高于中腔壓力時(shí)，介質(zhì)壓力會(huì )推動(dòng)閥座密封圈向球體移動(dòng)，使上游側推力與中腔側推力形成△P的壓力差，從而使閥座與球體抱得更緊，增加密封比壓，滿(mǎn)足密封要求，也就是當上游壓力高時(shí)能夠實(shí)現密封；當中腔壓力高于上游壓力時(shí)，中腔壓力會(huì )把閥座密封圈推向上游側，而改變閥座上下游側的受力面積，使中腔介質(zhì)推動(dòng)閥座支撐圈的推力大于上游側介質(zhì)推動(dòng)閥座支撐圈的推力，形成△P的壓力差，這個(gè)壓力差仍然使閥座與球體抱得更緊，實(shí)現密封。所以這種結構無(wú)論上游側壓力高還是下游側壓力高，閥座都會(huì )緊緊抱緊球體，滿(mǎn)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構

如圖所示，這種結構的閥座密封圈是固定的，只有閥座支撐圈可以移動(dòng)，因此，這種結構又稱(chēng)作單活塞效應閥座。該結構閥座密封圈到閥門(mén)中心的距離A大于閥座與球體接觸點(diǎn)到閥門(mén)中心的距離B，當上游壓力高于閥腔壓力時(shí)，上游壓力會(huì )把閥座支撐圈推向球體，使閥座和球體緊密結合，實(shí)現密封。當中腔壓力高于上游或者下游壓力時(shí)，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。

雙活塞效應的雙密封閥座結構對全焊接球閥來(lái)說(shuō)是一種非常有效地密封結構。由于要求確保30年使用壽命的全焊接球閥來(lái)說(shuō)，是非常必要的，因為在閥內兩個(gè)閥座中，任何一個(gè)閥座受損，另一個(gè)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構來(lái)說(shuō)，當一端閥座損壞后，介質(zhì)會(huì )進(jìn)入中腔，中腔壓力將增大，而中腔壓力的增大將會(huì )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計值時(shí)，就會(huì )發(fā)生泄露。因此，就密封可靠性而言，雙密封閥座結構優(yōu)于單密封閥座結構。然而，正因為雙活塞效應的雙密封閥座結構不會(huì )自動(dòng)泄放中腔介質(zhì)壓力，當閥門(mén)處于全開(kāi)全關(guān)位置時(shí)，截留于中腔內的介質(zhì)可能由于溫度的急劇變化，使閥腔出現異常增壓，經(jīng)計算，當截留于閥腔內的氣體溫度由-30℃上升到70℃時(shí)（這種情況可能出現在我國的西北，在嚴寒的冬天，對閥門(mén)進(jìn)行了開(kāi)關(guān)，此后一直到來(lái)年炎熱的夏天，都沒(méi)有啟閉過(guò)閥門(mén)。）閥腔壓力會(huì )升高到原來(lái)的1.41倍，這種壓力的升高對閥腔來(lái)說(shuō)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(mǎn)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(huì )升高更快。因此為保證閥腔的安全，對兩個(gè)閥座均為雙活塞效應的雙密封閥座結構的全焊接球閥，必須在閥腔安裝壓力泄放閥，泄放閥的泄放壓力通常設計為公稱(chēng)壓力的1.1~1.33倍，泄放閥的通徑通常≥1/2 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的雜質(zhì)對軟密封閥座的沖刷和擦傷，延長(cháng)軟密封閥座的使用壽命，同時(shí)金屬密封承擔了大部分來(lái)自管內介質(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(guò)載而受到傷害，金屬閥座采用不低于閥門(mén)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，少數企業(yè)采用O形密封，國內企業(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

目前國內外少數企業(yè)采用三級密封方式，設計這種結構是考慮到管道有很多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)經(jīng)常會(huì )把球面、閥座損壞，造成閥門(mén)內漏，增加一道尼龍密封，阻擋管道內的雜質(zhì)對閥座的沖刷。在閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)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(cháng)閥門(mén)的使用壽命。但這種結構的尼龍閥座裝配難度比較大，如不采取有效措施，在閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，尼龍閥座會(huì )從閥座槽中脫離出來(lái)。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(guò)載而加速損壞，影響其實(shí)際效果。

（3）尼龍閥座密封結構

目前有少數企業(yè)如Cameron等采用尼龍閥座密封結構。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(lèi)材料來(lái)說(shuō)，比較硬，材料的承壓能力強，但回彈性差，容易受到管道內的焊渣、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(mén)的使用壽命，采用了旋轉閥座結構設計，位于閥門(mén)3、9點(diǎn)鐘位置的閥座，在閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)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(mén)每開(kāi)關(guān)一次，閥座旋轉一定角度，有利于延長(cháng)閥門(mén)的使用壽命。但這種結構大大增加了啟閉力矩，對長(cháng)期不啟閉的閥門(mén)，更容易出現卡死。

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一起使用。該系統由注脂閥和止回閥組成，分別安裝于閥體外側的閥座部位和閥桿填料函外徑上。該系統是一種補救措施，可以在緊急狀態(tài)下阻止或減少管線(xiàn)閥門(mén)密封座的泄露，將閥門(mén)的徹底維護延遲到下一個(gè)預定的管線(xiàn)關(guān)閉期。注脂之前，需要對閥座密封部位進(jìn)行沖洗，且在此過(guò)程中閥門(mén)需打開(kāi)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

閥桿密封結構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問(wèn)題，介質(zhì)就會(huì )外漏，造成環(huán)境污染、引發(fā)火災等嚴重后果，因此務(wù)必高度重視。圖所示結構是目前比較常用、也比較有效的一種閥桿密封結構，它由兩道O型圈構成兩道密封防線(xiàn)，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)生火災時(shí)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(kāi)，當閥桿密封出現泄漏時(shí)，可以對外層密封在帶壓情況下進(jìn)行檢修更換，這種結構更加先進(jìn)、合理。國外部分設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(dòng)密封圈結構，這種結構將三種不同密封材料的優(yōu)點(diǎn)，集合在一起，形成全天候、滿(mǎn)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(dòng)密封圈是一種U形PTFE內置特殊彈簧的高性能密封圈，由適當的彈簧力加上系統流體壓力，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(guān)不平，是密封更長(cháng)效、更可靠，這種結構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(mén)球體，應作球體變形計算，這種變形足以引起密封失效。

球體的支撐結構有兩種，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(guò)支撐板傳遞到閥體上，閥桿不承受介質(zhì)推力，這種結構可以大大降低閥門(mén)的啟閉力矩，有效保護閥桿密封，基本上筒形結構閥體都采用這種結構。另一種結構多用在球形結構閥體上，球體的支撐靠上下閥桿，通過(guò)上下閥桿將介質(zhì)推力傳遞到閥體上，這種結構閥桿要承受介質(zhì)的推力，因此啟閉力矩大，閥桿受力會(huì )加速閥桿密封的磨損。

5、防火結構

管道閥門(mén)需要具有火災安全功能，則其結構必須為防火型，而其防火結構的設計應主要考慮：閥座的防火結構設計，閥桿防火結構設計，閥體與左右體結合面的防火結構設計。其中，閥座防火結構設計是關(guān)鍵，閥座的防火性能良好，在火災事故狀態(tài)下，可減輕閥桿防火結構、閥體與左右體之間防火結構設計的難度。目前常用的方法就是在閥桿及閥座支撐圈部分都加設了石墨密封，石墨密封耐高溫性能好，在發(fā)生火災的時(shí)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/下位置設置導靜電彈簧，將靜電導通至閥體，并按照標準規定，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功能設計

DBB（雙截斷和排放）功能設計是指無(wú)論是閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，閥腔泄壓排放時(shí)，上游端和下游端閥座應同時(shí)截止，并允許從排泄閥處對在線(xiàn)閥門(mén)進(jìn)行閥座密封性能測試，而不影響管線(xiàn)運行。

8、其他設計結構

其他結構設計如放空、排污、注脂、吊耳等，國內外沒(méi)有差異。