管道工業與管線球閥

管線球閥是固定球球閥的一種，是球閥一個最重要的發展。過去常常將“管線球閥” 一詞與“固定球球閥” 一詞相混用，將“管線球閥”不恰當地稱之為 “固定球球閥”。其實，管線球閥的全稱，應該是長距離輸送系統管線球閥（long distance pipeline trans¬portation system pipeline ball valve），簡稱管線球閥。

這是從產品的服務對象而言。而“固定球球閥” 一詞是指這種閥門的結構，球體被支持在轉軸中心。另外，也不適宜將管線（pipeline） —詞譯為管道 （pipe）,而稱之為管道球閥。產品的國際標準名稱是 ISO14313-2007《石油和天然氣工業一管線輸送系

統一管線閥門》，這一名稱就是最好的解讀。管線閥門有球閥、閘閥、旋塞閥、止回閥，是滿足長距離管線輸送的特殊要求，具備特殊功能的專用閥門，對于球閥，則稱之為管線球閥。規范該產品的美國石油學會最新標準是API 61>-2008第23版《管線閥門規范》與ISO14313等同。

3.4.1管道工業與管線球閥

1914年，第一條9 km長的輸油管線在美國中部建成，從此拉開管道的工業發展的序幕。用管道來輸 送原油、天然氣，其成本是海上運輸、油輪和液化天然氣船舶運輸成本的2/3，是油罐列車陸上運輸的 1/3。所以近百年來獲得飛躍的發展。根據《Pipe- line》雜志2000年統計，全世界已建成的管線260X 104km,其中輸油管線80X104km，輸氣管線140X104km,成品油管線40 X104km。并且每年以3X104km的速度增加，輸油輸氣管線是一條跨國能源供給線，是一條生命線。世界上最著名的管線如美國阿拉斯加輸油管線（圖3-19）從北部普拉德赫海灣至南 部瓦爾迪茲港全長1300km，管徑48in，穿北極圈，

凍土層，高山和峽谷。前蘇聯烏連戈依中央輸氣管線 （西伯利亞管線，圖3-20），全長3.5X104km，管徑56in，緊急切斷大口徑管線球閥1000余臺，穿越西伯利亞凍土層、森林、沼澤地。在東南亞從菲律賓至 馬來西亞、爪哇、蘇門答臘、新加坡至泰國全長 6276km的輸氣管線，其中1094km為海底管線。

管線球閥的最大口徑為60in，最高壓力等級為Class2500級（PN 420），在役的32in以上管線球閥約20萬臺以上，32in以下近250萬臺。

管線球閥在管道工業中獲得廣泛的應用無疑是它的產品特征：全通徑、低流阻，便于實現遠距離控制和自動化。管道輸送近百年的發展已形成全球性跨國管網，這是人類賴以生存的能源供給系統，這一系統從北極圈至赤道，從高山至海底，從高原到沙漠，其間穿越地震帶、沼澤地、江河、湖泊、山坡。有架設的也有直埋地下的，在野外遠距離遙控操作，維修困難，要求30年以上使用壽命。輸送的天然氣含硫、 焊渣、鐵銹等雜質，出廠時要求氣泡級密封，這些苛刻的要求已成為全球性共識的采購規范。并提出如下特殊的功能要求。

①閥體的強度與韌性閥體是一個承壓部件， 其壓力邊界除了承壓內部介質的壓力之外，尚需承受外部載荷，如地面沉降、滑坡、洪水、地震等自然災害引起的彎曲載荷；以及由于晝夜溫度變化，冬夏季節性溫度變化而引起的拉伸和壓縮載荷。在寒帶及冰凍地區應考慮材料的低溫沖擊韌性，防止低溫脆裂。 對于全焊接閥體，在焊縫和熱影響區應按斷裂力學理論進行CTOD （裂紋尖端張開位移）斷裂韌性試驗和焊后免熱處理的安全評估。

②氣泡級的密封要求產品出廠時應達到氣泡級“零”泄漏，運行中要求密封座具有阻止金屬顆粒進入密封區域的效果，如金屬顆粒進入軟密封，一旦出現泄漏，應有緊急密封的措施。

③失火安全與防靜電功能閥門的設計需考慮失火安全，一旦失火，閥門的內漏與外漏不能超過API6FA和API607規定的泄漏標準。球體被非金屬密封材料夾持，轉動時可能產生的靜電必須與閥體導通，在24VDC的電壓下，其電阻小于ion。

④雙截斷與排放功能（double block and bleed）對于具有兩個密封閥座的閥門，兩個密封座之間的閥腔壓力排放時，兩個閥座應同時截斷進口和出口的介質。

⑤雙隔離與排放（double isolation and bleed）對于具有兩個隔離型密封座的閥門，即具備雙活塞效應功能的密封座，兩個隔離型閥座之間的閥腔壓力排放時，兩個閥座應同時隔離進口和出口介質。

⑥防止閥腔壓力超壓無論閥門處于關閉狀態或開啟狀態，對于雙密封座的閥門，閥腔夾持一部分介質，如果被夾持的介質有可能由于溫度變化而壓力升高，閥門應具備閥腔壓力超壓自動泄壓的功能。閥腔壓力泄放的最大值不超過閥門壓力額定值的 1. 33 倍。

⑦可清管能力（pig ability）允許清管器無阻礙通過的能力。

⑧閥桿保持閥桿應設計在任何內壓條件下， 填料壓蓋卸去或操作裝置卸去的情況下，保證閥桿不被吹出和閥體壓力邊界的完整。

⑨驅動鏈的設計設計軸的轉矩，在整個驅動鏈的計算中，應該以最大開啟轉矩的兩倍來計算。驅動鏈的最薄弱零件或零件截面應在壓力邊界之外。

⑩位置限定與指示閥門或操作機構應提供行程限定機構，在開啟或關閉位置限定閥門的位置。并提供位置指示器，指示閥門所處的狀態，開啟位置或者關閉位置。

?硫化工況如果買方規定用于硫化工況，則 承壓零件及螺栓連接材料應滿足標準ISO15156《石油和天然氣工業一油和氣生產中用含H2S環境中材料》的全部要求。

緊急切斷（ESD）對于用于緊急切斷閥的場合，采用氣液聯動操作機構來驅動閥門，以天然氣作為動力，液壓油作為傳動介質，來驅動管線閥門的啟閉并有手動操作機構，破管自動保護，遠程電控開關，ESD緊急關斷的功能。

地下水的電位腐蝕與應力腐蝕采用全焊接閥體結構，管道陰極保護以及外部防腐來防止電位腐蝕和應力腐蝕。

管線球閥經歷半個多世紀的發展，形成兩大閥體結構形式。一種是全焊接球狀閥體結構，以美國Ca-meron公司為代表，其他有德國的Bosig公司、 Shuck公司，日本TIX公司、Tubota公司，以及俄羅斯Tyazhpromarmatuva公司等。另一種是筒狀閥體結構，有全焊接的，也有分體式的，以意大利Grove公司為代表，其他有意大利閥門公司、Perar公司、 NuovoPignone公司、PCC公司、B.F.E公司和捷克的MSA公司等。

（1）美國公司全焊接球狀管線球閥在20世紀50年代，美國Cameron公司，推出一種球狀結構，全焊接鍛鋼閥體的管線球閥（圖3-21）， 其結構特征如下。

①閥體是全焊接，球狀，由四塊鍛件拼接組成， 焊接是在產品組裝完成后進行，焊接工藝是最后一道工序，這樣形成一個封閉的產品，不可再分解、拆卸。 這種以焊接作為產品最后一道工序的，稱為“焊接產品”。這樣，內件如球體、密封座、密封環、軸承無須更換，因此，這種結構上的合理性及其帶來的客戶效益，是在服役生命期內的可靠密封（sealed for life）。

另外，整體閥體提供了足夠的強度和剛性，產品經彎曲試驗和壓縮試驗驗證了閥體的強度和剛性。

②可轉動閥座，閥座外緣加工成棘輪，球體表 面上固定著一個撥動機構，球閥每開或關一次，棘輪轉動一個角度。設計者的思路是考察球體對閥座之間相對運動，作用在閥座密封環帶上，磨損的不均勻性，憑借閥座的轉動來獲得密封環磨損的均勻。但實 踐結果恰恰和這一預期效果相反，閥座的轉動加速了閥座的泄漏。因為管道中砂粒出現在管線的底部，劃痕從密封環底部位置上發生，閥座的轉動增加了泄漏 點，這一原始結構設計，現在已不被人們所認可。

③固定球結構，球體上有兩個軸孔，插入兩個過盈配合的支承軸，形成一個組合球體，上支承軸作為驅動軸，與傳動機構采用花鍵連接。軸承采用低摩擦系數的PTFE塑料軸承，無須潤滑，操作輕便。

④旋轉閥座上的密封環材料為尼龍或PTFE， 并被牢固地鎖定在金屬座圈內。閥座與閥體之間的密封采用唇式密封結構，用PTFE制成。背面有平板彈簧推動，提供密封座的初始密封。當密封座上軟密封失效時，有一個密封脂緊急注入通道，密封脂通過一 個注油嘴和單向閥通向球體表面，提供一個臨時緊急密封。這一組合密封座結構滿足DBB的功能要求以及低的密封壓力，避免產生高的操作轉矩，密封座的設計成為前級密封，具有自泄放功能，腔體壓力異常升高時，出口端閥座自動排放。

⑤閥桿上的密封環用PTFE制造，有上、下兩個軸封，如果需要，上軸封可以被更換。

⑥產品的火燒試驗證明，塑料密封環被燒毀后密封座的金屬球面金屬相接觸，密封座與閥體間的PTFE唇式密封環燒毀后，碟形彈簧的兩個平面與閥體和閥座金屬面相接觸，其泄漏量的總和是有限的， 能夠達到液滴密封等級（drop~tight）的要求。

⑦對于直埋地下的管線，閥桿可以被延伸，接 至地面，排污管、取氣管、密封脂注入管亦接至地面。圖3-22是Cameron T-31型產品組裝圖，可以詳細看到其內部結構。

幾十年前Cameron公司這一全焊接球形鍛造闊體，固定球浮動閥座，無螺栓連接的管線球閥問世， 提供了一個緊湊型、高強度、輕重量、無維護的集成型產品，在長輸管線中取代了傳統的管線閘閥，從此風靡全球，而且時至今日，仍是管線工業中的主導產品，其壓力等級Classl50?2500，通徑NPS2?420

（2）德國公司全焊接球狀管線球閥

而后，德國Borsig公司發展類似的全焊接球狀鍛鋼閥體結構的管線球閥（圖3-23），在結構上變化可以歸納為：

①球形殼體的焊縫在中間位置，殼體由左、右兩個半球殼組成，軸頸部分的焊接與加工在左、右閥 體焊接之后，在工藝上有很大變化；

②驅動軸直接與球體相焊接；

③密封座的主密封采用氟橡膠或PTFE塑料， 彈簧采用螺旋彈簧；

④軸端密封有兩種結構，0形橡膠密封或PTFEU形密封圈加石墨防火填料（圖3-24）。

另外，在提供全焊接球狀閥體管線球閥的同時， 并提供上裝式管線球閥。密封結構與全焊接球形閥體管線球閥相同，殼體采用鑄件，上裝式結構主要用于場站，需要在線維修的場合。