大口径油气管线固定球球阀四阀座结构设计

张明

中国石油西部管道公司

管线输送是当代油气输送的主要方式之一,利用长距离管线输送油气资源已成为当今世界能源输送的主要手段.主要油气生产国和消费国大都采用长输管线来解决油气资源的运输问题,其中,天然气95%以上采用管线输送方式.油气介质属易燃、易爆物类,且输送压力很高,加之长输管线一般途经地理环境复杂、气候恶劣、环境温度变化大的区域,且管线投运后,要求能够长期连续安全可靠运行[1].

管线球阀属于管道输送系统中关键且使用数量较大的设备,同时也是出现各类问题最多的设备.管线球阀在管道系统中起着控制隔断和联通的作用,阀门内漏导致关闭不严,对管线作业和管道运行的安全可造成严重后果,因内漏更换阀门导致运行调整、停输、放空等经济损失远高于阀门自身的价值[2-3].因此,长输管线阀门比通用阀门要求具有更高的安全可靠性、密封性和足够的强度及刚性,以确保长输管线安全可靠运行[4].国内有些恶劣的油气输送介质及较差的施工质量常导致常规阀座球阀密封失效,如西部管道公司近3年西二三线西段和双兰线更换了近百台关键位置的阀门.

目前,国内外油气管道用管线阀门多为常规阀座的固定式全焊接球阀,按阀体型式主要有筒形阀体和球形阀体两种,但阀座型式是一致的,为一个阀门设计两个阀座,即上游和下游各一个阀座,如图1所示.阀门通过球体转动到关闭位置时,球体的球面与阀座的密封面之间形成的接触实现管道介质的隔断和隔离,阀门内漏的可能性主要集中发生在阀座密封上.

图1 常规管线球阀Fig.1 Conventional line ball valve

1 四阀座结构设计

球阀的结构和阀座的密封决定了阀门内漏的可能性,拆解长输油气管线内漏球阀,进一步验证阀座密封失效的主要原因[5],对阀门可靠性、密封性和长久使用寿命起着十分重要的作用,故阀座密封是阀门设计的重要环节.

1.1 组成

常规固定球球阀的阀座只有2个,无论采用双活塞效应阀座(DPE)还是单活塞效应阀座(SPE)[6-7],阀座均易受到破坏而失效.提出四阀座结构即阀体左、右两侧分别设计2个阀座,4个阀座形成串联式工作效应,各个阀座工作相对独立,均起到密封作用.其基本组成如图2所示.

1.2 工作原理

第1阶段:初始工作状态下阀门处于关闭状态,当阀门从左端进压时,压力推动上游第一级阀座压向球体,即阀座A1(图3)密封,阀座A2、B1、B2不起密封作用.

图2 四阀座结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the four-valve-seat structure

图3 A1阀座密封Fig.3 A1 valve seat seal

第2阶段:当阀座A1损坏时,即阀座A1泄漏,压力推动阀座A2压向球体,阀座A2开始起密封作用(图4),阀座B1、B2不起密封作用.

图4 A2阀座密封Fig.4 A2 valve seat seal

第3阶段:当阀座A1、阀座A2同时损坏时,压力进入中腔,阀座B2产生双活塞效应,即阀座B2在压力作用下推向球体,阀座B2开始起密封作用(图5),阀座B1不起密封作用;

图5 B2阀座密封Fig.5 B2 valve seat seal

第4阶段:当阀座A1、阀座A2、阀座B2同时损坏时,若阀座B1为单活塞效应,即自泄压,阀座B1不起密封作用;但若B1阀座采用双活塞效应的阀座(仅可用于输气),仍可实现密封,如图6所示.

图6 B1阀座泄压或密封Fig.6 B1 valve seat relief or seal

以上分析表明,四阀座球阀任何1个或2个乃至3个阀座失效都不会影响阀门正常工作,从而使阀门的整体密封功能更可靠,密封性能得到加强,设备拥有更长的使用寿命[8].

1.3 阀体强度计算

四阀座球阀比常规管线球阀具有更大阀体尺寸,作为管线阀门必须具有足够的强度和刚度,材料的选用应充分保证与相应管道、管件之间的适配性和可焊性.

管线阀门设计通常按照技术协议和API 6D-2014《管线和管道阀门规范》的要求进行.承压件的最小壁厚,在API 6D-2014中规定了若干可采用的标准,如:ASME锅炉和压力容器规范第Ⅷ部份、ANSI/ASME B16.34等规范.不论按哪个标准设计,应能保证阀门在API 6D-2014中要求的1.5倍额定压力的阀体强度试验压力.当对于相应标准中强度试验压力不足1.5倍额定压力时,应提升计算压力,直到该强度试验压力与API 6D-2014中要求的1.5倍额定压力保持一致.

式中:p计算为采用的标准中的计算压力,MPa;p为阀门的额定压力,MPa;N为采用的标准中壳体水压力强度试验与计算压力的比值(具体数值按所采用标准确定).

1.4 阀门转矩

与常规两阀座球阀不同,四阀座球阀的转矩会有所加大.首先,四阀座球阀为了保证阀门在关闭时,4个阀座能够同时处于与球面的密封接触,并能够让球体保持足够的刚性以便保证密封零泄漏,因此球体会比常规球阀大,增加了摩擦半径;其次,四阀座存在大小阀座、密封型式以及活塞效应之分,因此每个阀座密封摩擦力不同,贡献的阀门转矩也不同,通常在活塞效应差距不大时,尺寸大的内阀座贡献的转矩最大;最后,4个阀座在弹簧预紧力的作用下同时对球面产生推力,其预紧转矩为4个阀座之和,比常规球阀的预紧转矩要大1倍.总体转矩提升在可接受范围之内.

阀门在执行器选型上,应按阀门供应商提供的阀门转矩乘以安全系数进行选型,在较大口径阀门的执行器选型上可能会增大型号.

2 四阀座特点

2.1 构建隔离密封阵列

四阀座球阀阀体两侧分别设计2个紧邻阀座,面积差使压力介质作用在阀座上的力加上弹簧力形成足够大的密封压力可推动阀座抱紧球体,阀座软密封产生的弹塑性变形实现密封[9],两侧4个阀座形成隔离密封阵列,当且仅当连续3个阀座(最后阀座为SPE)或4个阀座(最后阀座为DPE)失效,才会出现泄漏(图7),构建的隔离密封阵列极大地降低了泄漏的风险和概率.

2.2 阀座多种组合

四阀座球阀每个阀座都能相对独立地完成密封作用,阀座有多种组合方式的选择,可采用金属密封与复合密封、软密封与复合密封等多种组合密封方式,以适应不同介质、不同工况的要求.

2.3 外侧阀座集密封与清洁一体

当外侧阀座完好时,将起到截断介质实现密封的作用;若外侧阀座损伤,能持续为内侧密封阀座提供保护作用,即充当介质冲刷的屏障,同时也在阀门开关过程中对球面预先清洁[10];当采用单活塞的内侧阀座时,为封闭的阀座间内压提供超压保护,如图8所示.

图7 隔离密封阵列Figu.7 Isolation seal array

图8 阀座密封与清洁一体Fig.8 Integrated valve seat seal and cleaning

2.4 独有封闭注脂腔

内外两级阀座为独立结构,在预紧弹簧作用下与球面紧密贴合,从而形成严密的封闭环形腔体,独有的封闭注脂腔使注入的密封脂不会向阀门通道中流失.紧急情况下,通过注脂能够形成可靠的紧急注脂密封,消除普通球阀密封脂流失进通道,保证了密封效果.独有的封闭注脂腔如图9所示.

图9 封闭注脂腔Fig.9 Closed grease chamber

2.5 压力缓冲区设计

阀门在开启上游压力接通之前,内侧阀座已实现密封面前后的平衡.全压开启时,外侧阀座为内侧阀座提供压力缓冲带,如图10所示,大大提高内侧阀座的抗冲击能力[11-12].

图10 阀座缓冲保护Fig.10 Valve seat cushion protection

3 结论与建议

(1)四阀座固定球阀利用多个阀座形成隔离密封阵列,具有普通两阀座固定球阀所不具备的性能,提供了一种旨在提高阀门密封可靠性的全新解决方案,为推动管线球阀技术的持续进步提供了一种创新思路.大规模工业化应用,将为长输油气管线截断阀的选型提供较理想的选择.

(2)基于管道安全考虑,关键位置线路截断球阀建议选用四阀座管线球阀(ESD),如线路阀室截断阀、进出站及越站紧急关断球阀、压缩机进出口截断阀、西二三线联络阀等;对于输油管道,在阀座活塞效应基础上改用输油四阀座球阀可提高管道系统的安全可靠性.