1 概述
我國(guó)是世界油、氣生產(chǎn)大國(guó)，石油、天然氣資源十分豐富。球閥作為集輸裝置的重要設(shè)備，其市場(chǎng)容量大，前景廣闊。金屬硬密封球閥廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、制藥、食品、輕工等行業(yè)，適用于控制高溫、高壓或帶有顆粒、纖維的流體介質(zhì)，尤其適用于電站、冶金行業(yè)的鍋爐、噴煤及結(jié)垢、凍結(jié)的輸送管道。
國(guó)內(nèi)管線建設(shè)已經(jīng)大量使用高溫高壓的軟密封球閥，其制造難度已經(jīng)很大了，但是，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和完善，隨著能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特別是中國(guó)加入WTO以后，企業(yè)受市場(chǎng)的影響越來越深，用戶對(duì)產(chǎn)品的要求越來越高，高品質(zhì)、高技術(shù)閥門的市場(chǎng)越來越大。對(duì)于耐腐蝕和高溫的球閥產(chǎn)品需求量很大，對(duì)這類閥門設(shè)計(jì)和制造難度相當(dāng)大，而且目前市場(chǎng)上無論鑄造或鍛造的，高溫高壓的硬密封球閥生產(chǎn)制造更加困難，我們結(jié)合全焊接球閥的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造經(jīng)驗(yàn)，采用中體與中體上法蘭焊接連接，減少閥門外泄漏、整體剛度好和硬密封球閥的耐溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)一種新型高溫高壓硬密封固定球閥，能廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、高腐蝕、含顆粒介質(zhì)的高危場(chǎng)合。并能保證其密封性能，延長(zhǎng)閥門的使用壽命，已經(jīng)廣泛使用于各種管線球閥工程，用戶反映閥門使用性能很好。
2 結(jié)構(gòu)原理
新型高溫高壓硬密封固定球閥是我公司在引進(jìn)日本北村KTM公司的球閥技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合我公司豐富的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)需求而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，按API6D管線球閥要求而進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)總裝圖見圖1：
圖1 新型高溫高壓硬密封固定球閥結(jié)構(gòu)圖
1-連接法蘭；2-中體上法蘭；3-上閥桿；4-螺旋彈簧；
5-閥座支承圈；6-左右體曰硬密封閥座；7-O型橡膠密封圈；
8-閥座曰矩形石墨繩；9-球體；10-下閥桿；11-底蓋；12-中體；13-底
3 工作原理
如圖1所示，球體通過上、下閥桿及閥座部件固定在中體、左右體中，閥座安裝于支承圈內(nèi)，支承圈與左右體靠O形密封圈密封，閥座借助螺旋彈簧預(yù)緊。介質(zhì)進(jìn)口端閥座，在球體關(guān)閉時(shí)，靠閥座密封圈內(nèi)徑和進(jìn)口密封支承圈外徑所形成的環(huán)面積上的介質(zhì)作用力壓緊球體，以達(dá)到球閥的密封，密封的可靠性在很大程度上取決于密封面的平均直徑與支承圈外徑之比，如果支承圈外徑的值和密封面的平均直徑的值相比不夠大時(shí)，球閥將不能保證可靠密封，另一方面，如果支承圈外徑過大將引起閥座密封圈過載，而使閥門的開關(guān)扭矩增加及磨損加快。
4 關(guān)鍵技術(shù)
4.1 主要內(nèi)容
為提高我國(guó)高含硫（化氫）石油天然氣集輸管道抗腐蝕、耐磨、防火水平，提高其運(yùn)行的可靠性和安全性。研究閥門抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、氫致開裂和焊縫抗硫化氫腐蝕的試驗(yàn)分析，研制油氣集輸用耐磨、防火、抗腐蝕球閥系列閥門產(chǎn)品，*并形成產(chǎn)業(yè)化。
4.2 主要技術(shù)
（1）技術(shù)特點(diǎn)：運(yùn)用*的工藝技術(shù)，研制適用于不同苛刻工況環(huán)境的不同功能的石油天然氣集、輸球閥。
（2）關(guān)鍵技術(shù)：整體焊接技術(shù)、噴涂硬化技術(shù)、噴涂防腐技術(shù)、材料防腐蝕試驗(yàn)分析技術(shù)。
（3）關(guān)鍵工藝：抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC）和氫致裂（HIC）試驗(yàn)工藝、整體焊接工藝、超音速火焰噴涂工藝。
4.3 主要技術(shù)難題
（1）為掌握材料抗腐蝕性能，需進(jìn)行模擬工況試驗(yàn)，并解決焊縫抗硫化氫的腐蝕能力問題；
（2）為解決顆粒狀介質(zhì)沖刷問題需噴涂硬化技術(shù)；
（3）為解決高壓大口徑球閥的防腐問題需噴涂防腐技術(shù)；
（4）為保護(hù)環(huán)境，減少火災(zāi)影響，提高抗外力（含地震）沖擊能力技術(shù)，確定出設(shè)計(jì)方案，
5 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
5.1 適用介質(zhì)及工作溫度：
適用介質(zhì)：壓縮天然氣、空氣等非腐蝕性介質(zhì)。
適用溫度：-29～200°C。
5.2 性能規(guī)范
性能規(guī)范如表1所示。
表1 性能規(guī)范
5.3 主要零件材料
高溫高壓硬密封固定球閥產(chǎn)品主要由：中體、左右體、球體、閥座圈、閥桿等組成，根據(jù)用戶要求，可安裝手動(dòng)操作器或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如手柄、電動(dòng)、氣動(dòng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
閥門主要零件材料如表2所示。
表2 閥門主要零件材料
6 采用的主要標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求
閥門*符合API6D的要求，API6D的各條款，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)指導(dǎo)和合格檢驗(yàn)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。閥體承壓件和相關(guān)的焊接設(shè)計(jì)符合ASMEB&PV規(guī)范卷Ⅷ，*部分和DIN3840的要求。使結(jié)構(gòu)優(yōu)化、重量輕。
（1）設(shè)計(jì)制造：按API6D/GB/T19672的規(guī)定。
（2）結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度：符合API6D的規(guī)定。
（3）法蘭連接端：為環(huán)連接（RJ），法蘭尺寸按ASMEB16.5-RF/RJ規(guī)定。
（4）試驗(yàn)和檢驗(yàn)：按API598的規(guī)定；
（5）通徑：符合API6D。zui小流道直徑符合API6D的規(guī)定。閥門是全通徑。
閥體連接端：與中體連接采用螺栓連接式鍛鋼閥體。
（6）閥蓋：閥蓋用螺栓連接在閥體上，使閥桿內(nèi)件能自由安裝、并可在不用從管道上拆下閥門的情況下予以更換。接盤設(shè)計(jì)成既可安裝加長(zhǎng)桿（埋地閥門），又可接各種操作器（電動(dòng)或氣液聯(lián)動(dòng)），接盤尺寸符合ISO5211標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
（7）球體：它是鍛制鋼球，金屬球體（ASTMA182F304+Ni60）通過超音速噴涂鎳基合金，與閥座支承圈（ASTMA182F6a）硬面堆焊STL硬質(zhì)合金，硬面加工磨削后，再配對(duì)研磨，達(dá)到密封副要求。通過支座固定在閥體上（固定球）。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，截?cái)嗔黧w壓差產(chǎn)生對(duì)球體的載荷，通過支座傳遞到閥體上。球體采用壓力平衡孔，平衡當(dāng)球打開時(shí)的中腔壓力，這樣能減少閥門力矩，延長(zhǎng)閥門使用壽命。
（8）閥桿：與球體可拆卸，并按ASMEB16.34和BS5351規(guī)定進(jìn)行防飛設(shè)計(jì)。閥桿同球體的連接通過一套特殊的機(jī)構(gòu)，允許球體在因介質(zhì)的壓差而產(chǎn)生的推力作用下，可以沿閥門中心線軸向移動(dòng)，而不影響閥桿，閥桿不承受徑向載荷或彎曲載荷，也就是說，閥桿只傳遞操作閥門的扭矩，實(shí)現(xiàn)了純扭矩操作。
（9）閥座支承圈：是雙向雙密封型，即不管通過閥門的流體方向如何（與流體進(jìn)入管線的方向無關(guān)），兩個(gè)支承圈可同時(shí)推向球，這種重復(fù)的密封設(shè)計(jì)對(duì)流體有雙重阻擋作用，保證在上游密封失敗時(shí)，下游密封環(huán)對(duì)球的密封，它能確保閥門運(yùn)行的長(zhǎng)期性。每個(gè)支承圈是由鍛鋼制成的，可軸向浮動(dòng)并截?cái)嗔黧w，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^彈簧預(yù)緊以實(shí)現(xiàn)低壓密封，由活塞效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高壓密封。為使閥門更有效地密封，閥座支承圈（ASTMA182F6a）硬面堆焊STL硬質(zhì)合金，與金屬球體（ASTMA182F304+Ni60）通過超音速噴涂鎳基合金，加工磨削后配對(duì)研磨，達(dá)到密封副要求。
（10）閥桿密封：右上為閥桿內(nèi)部密封，雙重；右下為閥桿外部密封，三重。
zui外部都采用帶有柔性石墨材質(zhì)擋圈，具有防火燒蝕功能，可以實(shí)現(xiàn)在帶壓情況下更換閥桿外層O形密封圈。
（11）閥座密封：為使閥門更有效地密封，閥座支承圈（ASTMA182F6a）硬面堆焊STL硬質(zhì)合金，與金屬球體（ASTMA182F304+Ni60）通過超音速噴涂鎳基合金，加工磨削后配對(duì)研磨，達(dá)到密封副要求。用硬密封副取代了軟密封（如RPTFE、PPL、NYLON、PEEK等）閥座結(jié)構(gòu)，能很好的經(jīng)受介質(zhì)的沖刷和腐蝕，在開關(guān)過程中能自行鏟除密封面上粘附的殘留物，能有效的防止介質(zhì)結(jié)疤，隨時(shí)保持密封面的清潔和光滑，特別適用于固體顆粒、膠料、粘稠等介質(zhì)。
（12）雙截?cái)嗪团欧牛寒?dāng)球體在全關(guān)位置時(shí)，閥體中腔介質(zhì)可以*排放。
（13）閥體排放：提供排放口和放空口，可按要求裝堵塞或閥門。
防靜電裝置：標(biāo)準(zhǔn)的閥門設(shè)計(jì)按API608的要求由不銹鋼彈簧來保證保證支承圈、球、閥桿和閥體之間的導(dǎo)電性。
（14）防火測(cè)試設(shè)計(jì)：閥門防火設(shè)計(jì)按APISpec6FA和BS6755：部分2和/或API607的要求。
（15）放空接口：在中體中腔中上部位，加工放空接口，安裝放空塞，安全簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)中腔介質(zhì)的放空和泄壓。
（16）吹掃接口：按用戶要求，在中腔下部45度位置，加工吹掃接口，安裝內(nèi)螺紋鍛鋼閘閥，閘閥外部安裝堵塞，方便對(duì)中腔和球體的清理和吹掃。
（17）排污接口：在中體中腔下部設(shè)計(jì)和加工排污接口，安裝排污閥，安全簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)對(duì)中腔介質(zhì)排污和清理。
（16）閥門運(yùn)輸：閥門備有底座和吊耳。
7 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)性能
7.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
本產(chǎn)品主要由中體、左右體、球體、閥座、閥座支承圈、閥桿等零件組成，手動(dòng)操作器或其他執(zhí)行器，根據(jù)用戶需求選配。
（1）閥座采用活塞效應(yīng)-浮動(dòng)密封閥座結(jié)構(gòu)：利用閥座部件的活塞效應(yīng)推動(dòng)閥座與球體在上游形成密封，下游當(dāng)中腔壓力異常升高時(shí)可自動(dòng)泄壓，閥座能保證高壓、低壓及真空狀態(tài)下的*密封。
（2）閥桿為防飛結(jié)構(gòu)：采用連接法蘭壓緊閥桿的較大的臺(tái)階面，有效的防止閥桿飛出。
（3）耐火結(jié)構(gòu)：對(duì)閥座支承圈進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使閥座在燒損后，介質(zhì)將支承圈迅速推向球體，使支承圈上的金屬斜面與球體形成金屬對(duì)金屬接觸，起到一定程度的密封，從而保證系統(tǒng)在火災(zāi)時(shí)無大量介質(zhì)泄漏。
（4）法蘭無外漏結(jié)構(gòu)：中體與左右體設(shè)計(jì)成金屬—金屬接觸形成定止口法蘭，以防止密封失效而出現(xiàn)的大量外漏。
（5）防靜電結(jié)構(gòu)：球體與閥桿采用閥桿鍵與球體有效接觸作為有效的導(dǎo)電通路，閥桿與閥體采用防止靜電銷和彈簧作為導(dǎo)電通路，從而把球體、閥桿和閥體有效的導(dǎo)電接觸，有效的導(dǎo)出靜電。
7.2 技術(shù)性能
7.2.1 閥座預(yù)緊力的必需和形
成盡管固定球閥的密封，主要靠介質(zhì)作用力使閥座壓緊球體，但為了能建立起壓差，還需要有閥座預(yù)緊力，否則壓差建立不起來。本閥門在一般情況下都采用螺旋彈簧預(yù)緊，其*點(diǎn)是：
（1）幾何形狀簡(jiǎn)單，便于制造。
（2）只需較小的空間，就能具有較高的負(fù)荷容量。
（3）多顆螺旋彈簧，均勻分布，有利于閥座部件的預(yù)緊受力均勻，也有利于預(yù)緊力的方便和快捷調(diào)整。
從我公司多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，此技術(shù)，載荷及應(yīng)力的分布和計(jì)算都是可控、可行和準(zhǔn)確的。
7.2.2 中法蘭無外漏結(jié)構(gòu)
中體與左右體設(shè)計(jì)成金屬—金屬接觸形成定止口法蘭，以防止密封失效而出現(xiàn)的大量外漏。
7.3 耐火結(jié)構(gòu)
對(duì)閥座支承圈進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使閥座在燒損后，介質(zhì)將支承圈迅速推向球體，使支承圈上的金屬斜面與球體形成金屬對(duì)金屬接觸，起到一定程度的密封，從而保證系統(tǒng)在火災(zāi)時(shí)無大量介質(zhì)泄漏。
7.4 防靜電設(shè)計(jì)
（1）設(shè)計(jì)：為確保閥桿與球體之間或閥桿與閥體之間能導(dǎo)電的防靜電結(jié)構(gòu)。防靜電電路的電阻應(yīng)小于10Ω。
（2）閥桿和球體：通過閥桿鍵與球體有效接觸，形成導(dǎo)電通路。
（3）閥桿和閥體：通過防靜電彈簧和鋼球有效接觸，形成導(dǎo)電通路。
（4）試驗(yàn)檢測(cè)：用經(jīng)過壓力試驗(yàn)并至少5次以上的開關(guān)的新的干燥的球閥，在電源電壓不超過12V（直流），測(cè)試閥桿、閥體和球體的防靜電通路，電阻都小于10Ω。
8 結(jié)論
本文是根據(jù)不同的壓力、溫度、工況介質(zhì)和條件，選取需要閥門的密封結(jié)構(gòu)，采用抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、氫致開裂和焊縫抗硫化氫腐蝕的試驗(yàn)分析，選擇合理的技術(shù)參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研制出油氣集輸用高溫高壓耐磨、防火、抗腐蝕球閥，均能保證其實(shí)現(xiàn)有效的密封，提高其運(yùn)行的可靠性和安全性，可以降低管線系統(tǒng)成本，延長(zhǎng)閥門的使用壽命，*了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)空白，并形成產(chǎn)業(yè)化。
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