全焊接管線球閥的設(shè)計與研發(fā)
摘 要：主要講述了管線工業(yè)發(fā)展需要，全面論述 56"-CL900 超大口徑全焊接管線球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求分析、制造能力、焊接工藝優(yōu)化、檢測及試驗引用標(biāo)準(zhǔn)與服務(wù)等，采用數(shù)值仿真技術(shù)對工況進(jìn)行模擬。
一、 概述
長輸管線（長距離輸送管道）上使用的閥門被稱為管線閥門。管線閥門（球閥、閘閥、止回閥和旋塞閥等）是一種滿足管道運(yùn)輸?shù)奶厥庖蟛⒕邆涮厥夤δ艿拈y門，這種球閥全通徑、低流阻，作為長輸管線用閥已得到快速的發(fā)展。西氣東輸一線、二線工程干線已建成投產(chǎn)，西三線正在加速建設(shè)，西四線已經(jīng)開始設(shè)計規(guī)劃，閥門大通徑尺寸為 NPS 56"，壓力等級為 Class900。
二、球閥的性能設(shè)計要求
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)采購技術(shù)規(guī)格要求超大口徑全焊接球閥的設(shè)計、制造、材料、測試、檢驗、運(yùn)輸和驗收等方面提出了低的技術(shù)要求。而閥門實際使用的環(huán)境惡劣，影響閥門性能的因素很多，對閥門長期使用的密封要求為零泄漏，應(yīng)超標(biāo)準(zhǔn)要求下進(jìn)行閥門的設(shè)計及試驗。
1. 設(shè)計方法
球閥如采用 ASME Ⅷ（部分）規(guī)則方法、實驗方法進(jìn)行設(shè)計，需提供有資質(zhì)的第三方的設(shè)計認(rèn)證報告；如采用 ASME Ⅷ（第二部分）有限元方法設(shè)計，需提交有限元計算報告。
2. 強(qiáng)度和韌性
閥門除了承受內(nèi)部介質(zhì)壓力之外，還需承受地質(zhì)災(zāi)害的滑坡、地面沉降、洪水而引起的外部載荷，各種環(huán)境溫度變化引起的軸向拉力和壓力，寒帶及冰凍地區(qū)需考慮材料低溫沖擊韌性，防止低溫脆性斷裂。
3. 性能要求
球閥應(yīng)能滿足連續(xù)運(yùn)行 30 年以上，且相關(guān)性能可長期滿足工況要求。
4. 焊接要求
所有的焊縫均應(yīng)按照 ASME 第 IX 卷要求進(jìn)行焊接工藝評定，并增加硬度試驗、金相、腐蝕試驗(SSC、HIC)、主焊縫應(yīng)進(jìn)行-46℃焊后免熱處理的 CTOD安全評估。
閥體主焊縫應(yīng)采用射線+磁粉或多通道超聲波+磁粉探傷方式，角焊縫采用磁粉探傷，袖管與閥體焊縫采用射線探傷，焊縫坡口表面均應(yīng)進(jìn)行滲透探傷，探傷比例均為 。檢測標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行 ASME 第 V 卷要求，并提交相應(yīng)的檢測報告，以驗證焊縫質(zhì)量合格。
5. 密封要求
下游端管線的有效截斷，應(yīng)考慮介質(zhì)中金屬顆粒對密封性的影響，當(dāng)密封失效時采取緊急密封措施，閥門長期處于零級密封。
6. 防失火安全和防靜電功能
球閥均應(yīng)設(shè)計為防火安全型，考慮一旦失火，閥門的外漏和內(nèi)漏要求滿足API 6FA/API 607 的泄漏標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)根據(jù) ISO 17292 做防靜電設(shè)計，球體被非金屬材料夾持時可能產(chǎn)生的靜電導(dǎo)出體外，在 24V DC 下，電阻值<10 歐姆。
7. DBB 功能
球閥應(yīng)為雙截斷-泄放(DBB)功能，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。
8. DIB-1 雙隔斷和泄放
根據(jù)介質(zhì)特點要求，閥座的設(shè)計除滿足 DBB 功能外，還應(yīng)為雙隔斷和泄放閥座（DIB-1 雙向雙密封閥座)，每一側(cè)都能承受全壓差。
9. 閥腔壓力自動泄放
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，閥腔壓力泄放的大值不超過閥壓力額定值的 1.33 倍。
10. 排泄
閥腔應(yīng)有排泄功能，以便介質(zhì)排放。并可通過排泄孔對閥門進(jìn)行在線密封檢測。
11.位置指示
無論手動或動力驅(qū)動，閥門的開度指示除執(zhí)行機(jī)構(gòu)有明顯的開度指示外，閥桿部位還應(yīng)設(shè)計有閥門處于開啟位置或關(guān)閉位置的機(jī)械限位及指示標(biāo)識。
12.傳動鏈
傳動鏈的設(shè)計扭矩至少應(yīng)為球閥大扭矩的 2 倍。
13.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。
14.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)，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。
15.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。
16.埋地加長桿
應(yīng)考慮到埋地式球閥運(yùn)輸、安裝和操作過程中加長桿外套可能承受的彎曲/扭曲/剪切等應(yīng)力，并采取相應(yīng)的措施保護(hù)延長桿。對操作機(jī)構(gòu)和閥桿加長組件應(yīng)有保護(hù)措施以防止由于閥桿或壓蓋的泄漏而造成機(jī)構(gòu)內(nèi)部蓄壓。
三、標(biāo)準(zhǔn)引用
球閥應(yīng)滿足或規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的新版本的要求。如果幾種規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求適用于同一情況，則應(yīng)遵循相關(guān)要求為嚴(yán)格的條款。
API 6D 管線閥門
API 6FA 閥門耐火試驗規(guī)范
API 607 轉(zhuǎn) 1/4 周軟閥座閥門的耐火試驗
ASME B1.20.1 管螺紋
ASME B16.25 對焊接頭
ASME B16.34 法蘭、螺紋和焊接端球閥
ASME B31.8 輸氣及配氣管線系統(tǒng)
ASME 第Ⅴ卷 無損檢驗
ASME 第Ⅷ卷 壓力容器建造規(guī)則
ASME 第Ⅸ卷 焊接和釬焊評定
SSPC SP10 金屬表面處理
ISO 5208 工業(yè)用閥門—閥門的壓力試驗
ISO 17292 石油、石油化工和相關(guān)工業(yè)用金屬球閥
NACE MR0175 防硫化氫應(yīng)力裂紋的油田設(shè)備金屬材料
四、設(shè)計制造
1. 閥體結(jié)構(gòu)
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。閥體重量重，運(yùn)輸困難，成本高，市場竟?fàn)帥]有優(yōu)勢。
球狀結(jié)構(gòu)一般采用是四條焊縫或一條焊縫焊接而成，為上下閥桿支撐結(jié)構(gòu)或樞軸支撐式結(jié)構(gòu)兩種。由于熱鍛壓工藝技術(shù)的進(jìn)步，閥體可采用兩個球狀組合焊接而成，即閥體中間單焊縫焊接，焊接輸入線能量小，降低了軸向和徑向變形。閥體重量輕（比筒狀結(jié)構(gòu)輕 1/3），起吊方便，成本低，市場竟?fàn)幱忻黠@優(yōu)勢。
筒狀結(jié)構(gòu) 球狀結(jié)構(gòu)

2. 球體與支撐
球體為實心球，球體的加工采用鏡面磨削專機(jī)加工，球體的圓度、同軸度、同心度的設(shè)計要求，控 制 圓 度 小 于 0.02mm，粗 糙 度 Ra0.2～0.10μm。檢 測 采 用 設(shè)備自帶雷尼紹電子探頭（測量精度為 0.001mm）對球體一次性檢查完成，有效了檢測數(shù)據(jù)與三維坐標(biāo)儀測量結(jié)果的一致性。
球體支撐有兩種方式：一種是上/下閥桿支撐式，即設(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，支承軸承長度 L 與軸 d 之比一般考慮L/d=1.2~2；另一種是樞軸式支撐，即是在球體上車削成上/下軸頸，并用二個上/下支撐板支承，由于結(jié)構(gòu)的限制，支承軸長度 L 與軸頸 d 之比一般考慮L/d=0.4~0.8 為宜。這兩種結(jié)構(gòu)，前者的上支承軸，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）的設(shè)計要求較高；后者結(jié)構(gòu)軸頸粗而短，所以球閥的阻力矩較大。
滑動軸的比壓進(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。軸承可采用不銹作為基體，內(nèi)襯 PTFE 塑料，這種軸承套承載比壓可達(dá) 200～400Mpa，許用比壓值為 100～200Mpa，且摩擦系數(shù)低，可降低球閥的操作扭矩。
3. 閥座密封
閥座采用組合密封結(jié)構(gòu)，即金屬對金屬的初始主密封，以阻擋固體顆粒的進(jìn)入；采用橡膠、PTFE、NYLON、PEEK 等非金屬材料作為次級密封，以“零”級泄漏。
密封用的橡膠圈有圓形，三角形或其他特殊形狀，每個公司都有自己的設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝措施，主要是應(yīng)考慮球體在開關(guān)過程中橡膠密封圈不被吹出或切壞。按壓力級情況，還應(yīng)考慮密封圈密封的支撐問題，防止金屬與金屬接觸，啟閉卡阻現(xiàn)象。對于 Class900 以上的工況，應(yīng)選用防爆降壓(AED)特性的材料作密封圈材料。
PTFE、NYLON、PEEK 的密封圈，一般采用筒狀鑲嵌式結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮做成倒鉤狀組合式結(jié)構(gòu)，密封圈不被吹出而導(dǎo)致密封失效。
4. 閥座功能結(jié)構(gòu)
閥座設(shè)計應(yīng)實現(xiàn)閥門處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)時，上游端閥座和下游端閥座同時自動切斷來自兩端的介質(zhì)（DBB 功能），進(jìn)行閥座密封性能測試，而不影響管線運(yùn)行。
閥座應(yīng)為雙隔斷和泄放閥座（DIB-1 雙向雙密封閥座)，每一側(cè)都能承受全壓差每一側(cè)都能承受 15MPa（Clsss900）的全壓差，閥腔設(shè)置外部泄放閥，泄放壓力不超過閥壓力額定值的 1.33 倍。
5. 緊急密封注入
閥座和閥桿應(yīng)有密封脂注入口，緊急密封系統(tǒng)由注脂閥和止回閥組成，分別安裝在閥體上閥座處的外測和閥桿填料處外側(cè)，可以在線更換注脂閥。并且要確保注脂通道的暢通，每種結(jié)構(gòu)都應(yīng)進(jìn)行密封脂注入試驗。
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。
6. 閥桿防吹出
閥桿要求采用防飛出設(shè)計。閥門應(yīng)裝配可以供操作人員方便觀察閥球開關(guān)位置的裝置，以安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時，對閥位重新定位。
7. 端部設(shè)計
閥門與管道采用焊接連接，接管材料為 API 5L X80，接管尺寸為 OD1422mm，壁厚為 30.8mm，袖管長度不小于 400mm。球閥與袖管的連接端應(yīng)材質(zhì)強(qiáng)度的適配性和可焊性，閥體過渡段與袖管之間的小屈服強(qiáng)度應(yīng)≥70%小屈服強(qiáng)度，并在高使用溫度下其許用工作壓力不低于管道設(shè)計壓力。
8. 放空及排放
球閥應(yīng)具有排污和放空功能。
地上安裝的閥門本體排污管線應(yīng)引出至閥門本體外。放空管、排污管與閥體應(yīng)采用焊接連接。放空和排污管線均應(yīng)安裝雙閥，靠近閥體的閥門為焊接連接的球閥，末端應(yīng)設(shè)置螺紋連接的放空閥或排污閥。
埋地安裝的閥門配置加長桿，以便地上操作。在球閥底部應(yīng)安裝排污管并引至地面以上以便將閥體內(nèi)的雜質(zhì)排出；閥體頂部安裝放空管并引至地面以上以便對閥腔進(jìn)行放空和清洗。引至地面上的放空和排污管線上應(yīng)各安裝兩個隔離閥，其中根部閥門應(yīng)采用全焊接金屬硬密封結(jié)構(gòu)，為防火安全型閥門，閥體排污/放空延長管上的所有連接應(yīng)為焊接連接。
設(shè)計應(yīng)考慮安全泄放閥在線更換與定期校核要求。
9. 數(shù)值仿真有限元分析
球閥的設(shè)計嚴(yán)格執(zhí)行 API 6D 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，承壓件及控壓件的設(shè)計計算嚴(yán)格按 ASME B16.34 和 ASME Ⅷ 第二部分有限元方法設(shè)計。分析閥體、球體、閥 桿 、支 撐 板 等 在 大工作載荷條件下的結(jié)構(gòu)完整性、靜態(tài)位移分布、安全系數(shù)分布的應(yīng)力情況。并且對閥體+過渡段+袖管+工藝管道的焊接組件強(qiáng)度進(jìn)行殊工況模擬分析，分析項目如下：
? 內(nèi)壓＋彎曲測試分析
? 內(nèi)壓＋擠壓測試分析
? 內(nèi)壓＋拉伸測試分析
五、材料選用
1. 閥體、球體、閥座為 A350 LF2 材料，過渡段材料為 ASTM A350 LF6Class2。為閥體/過渡段與袖管之間的可焊性，與袖管連接處過渡段的材料的屈服強(qiáng)度不低于 415MPa，與過渡段連接處的閥體材料的屈服強(qiáng)度不低于320MPa。
2. 閥體采用模鑄鋼錠鍛造成型，閥體、球體和閥座應(yīng)采用 III 級鍛鋼，墩粗鍛造比不小于 3，拔長鍛造比為 3～6，實際晶粒度不小于 6 級，非金屬夾雜物不大于 2 級。
3. 球體、閥座組件、閥桿及相關(guān)內(nèi)件表面應(yīng)化學(xué)鍍鎳， 涂層厚度不小于 75μm，涂層硬度為 HV650-800。
4. 閥桿的材料應(yīng)為 AISI 4140。
5. 閥座預(yù)緊彈簧應(yīng)采用 INCONEL X-750 材料。
6. 閥體、閥桿力學(xué)性能及化學(xué)成分分析應(yīng)本體取樣，取樣方法按 A370要求執(zhí)行。
7. 材料應(yīng)進(jìn)行抗硫化氫性能處理，符合 NACE MR 01-75 技術(shù)規(guī)范要求。
六、試驗與檢驗
1. 球閥的檢驗與測試均應(yīng)遵循 API 6D 的要求。檢驗和測試應(yīng)在球閥表面處理和噴漆前進(jìn)行。閥座試壓前應(yīng)開關(guān)球閥 2～3 次，試驗壓力和試驗時間應(yīng)遵照 API 6D 規(guī)范要求。密封性能試驗閥門泄漏量不得超過 ISO 5208 A級(無可見泄漏)。
2. 球閥出廠之前應(yīng)進(jìn)行檢驗和試驗，至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：
1) 閥門外觀檢查
2) 焊縫的無損探傷檢查
3) 閥體水壓試驗
4) 全壓差下開啟試驗，試驗次數(shù)為開啟 75 次
5) 閥座水壓密封試驗
6) 雙隔斷和泄放閥 DIB-1(雙向雙密封)試驗
7) 雙截斷-泄放功能（DBB）試驗
8) 低壓氣密封試驗
9) 高壓氣密封試驗
10)抗靜電性能測試
11)注脂試驗
3. 對配有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的球閥應(yīng)將球閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工廠內(nèi)組裝后進(jìn)行測試，確保球閥門在數(shù)據(jù)單規(guī)定下的大壓差條件下、動力電源 10％波動范圍內(nèi)，具有良好的開、關(guān)性能。
4. 配有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的球閥裝配后應(yīng)在 0 到 的額定行程中進(jìn)行全開、全關(guān)操作的檢查和扭矩測試。
5. 球閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工廠調(diào)試后應(yīng)做性定位標(biāo)志，確保現(xiàn)場組裝時不發(fā)生開關(guān)位置的變化。
6. 閥門本體試壓按照 API6D 的要求，焊接袖管后閥門整體按 12MPa 的1.5 倍試壓 4 個小時。
七、防腐處理
1. 埋地閥門外防腐層結(jié)構(gòu)及性能應(yīng)適應(yīng)石油天然氣長輸管道防腐技術(shù)要求，閥體噴涂外防腐層前應(yīng)進(jìn)行酸洗和拋丸等處理，確保防腐涂層的附著力。防腐層結(jié)構(gòu)為：無溶劑液態(tài)環(huán)氧+玻璃布+無溶劑液態(tài)環(huán)氧+玻璃布+無溶劑液態(tài)環(huán)氧結(jié)構(gòu)，其總厚度不小于 1.5mm。
2. 地上閥門防腐層結(jié)構(gòu)采用無溶劑液態(tài)環(huán)氧+氟碳面漆結(jié)構(gòu)，其總厚度不小于 370μm。試制方也可以采用試用方認(rèn)可的其它等效防腐性能的外涂層結(jié)構(gòu)。試制方應(yīng)提供所用防腐涂料的性能測試報告。

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