天然氣管道系統閥門使用研究

陳昊煒，蔡曉君

(北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617)

天然氣管道系統閥門使用研究

陳昊煒，蔡曉君

(北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617)

摘要：隨著21世紀能源問題的集中爆發，天然氣作為一種傳統能源的替代品，在各行各業發揮了重要作用。天然氣管道閥門作為天然氣運儲環節中的重要環節，擔負著氣體密封和管道通斷的多項使命。隨著相關技術理論的發展成熟，對于天然氣管道閥門的理論研究逐漸走向深入，新型閥門以及相關部件的研究成果也走向市場化，并且獲得了較為理想的使用效果。針對目前天然氣管道廣為使用的閥門類型進行了研究，旨在總結前人經驗以及從筆者個人角度提出合理化建議。

關鍵詞：天然氣；閥門；管道

據統計，2010～2050年，世界能源需求將增加60%，但煤炭和石油消費將處于逐步下降的趨勢，到2040年，天然氣的比例將與石油持平，到2050年將超過石油，成為世界第一能源。在這種世界背景下，國內對天然氣用量的需求日益攀升，相關產業的建設也迎來了春天，據不完全統計，“十二五”期間將新建天然氣管道(含支線)4.4萬km，新增干線管輸能力約1 500億m3/a；新增儲氣庫工作氣量約220億m3，約占2015年天然氣消費總量的9%；城市應急和調峰儲氣能力達到15億m3[1]。到“十二五”末，將初步形成以西氣東輸、川氣東送、陜京線和沿海主干道為大動脈，連接四大進口戰略通道、主要生產區、消費區和儲氣庫的全國主干管網，形成多氣源供應，多方式調峰，平穩安全的供氣格局[2]。

1天然氣的物化性質及應用特性

天然氣是一種主要存在于油田、氣田、煤層和頁巖層多組分的混合氣態化石燃料，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷[3]。天然氣燃燒后無廢渣和廢水產生，相較煤炭及石油等能源主要有3個特點：1)綠色環保，天然氣是一種環保的優質能源，其燃燒產物幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質，燃燒時產生二氧化碳少于其他化石燃料，因此能減緩溫室效應；2)經濟實惠，天然氣與人工煤氣相比，同比熱值價格相當，并且使用天然氣能延長灶具的使用壽命，也有利于用戶減少維修費用的支出，天然氣是清潔能源，因而能減少該地區對于相關問題的環保投入，為地區經濟發展提供新的增長點；3)安全可靠，天然氣無毒、易散發、比重小于空氣，是一種不宜積聚而產生爆炸的氣體，是較為安全的燃氣。

2天然氣管網閥門使用的客觀條件

我國使用的天然氣氣源來源多樣，以上海為例，目前較為廣泛使用的氣源多達6種，由于氣體組成成分不同，因此對天然氣管網的實際要求也不盡相同。以管網壓力這一主要參數來說，作為我國典型大型城市代表的上海來講，其天然氣管網分為8個壓力等級：6.0 MPa、4.0 MPa、2.5 MPa、1.6 MPa、0.8 Mpa、0.4 MPa、3 kPa和1 kPa；同時，由于管網內存在雜質(如沙質粉塵和金屬屑等)，在這種高壓、多塵的環境下，閥門的內腔尤其是其密封件要長期經受住較強的沖擊力。因此，天然氣閥門全開或全關時,密封面最好與天然氣介質不接觸[4]。

3天然氣管網閥門使用的具體要求

根據我國燃氣產品標準體系的各個執行標準，將天然氣管網閥門使用的具體要求總結如下。

3.1閥體材料選用要求

應當根據輸氣管網的壓力選用合適的閥體材質，同時由于天然氣在脫硫處理前存在大量硫化氫，而這種氣體能與鐵質發生反應，生成硫化鐵，從而造成較嚴重的化學腐蝕；因此，在選用材料時要優先考慮壓力等級和材料化學性質這2個因素，同時要考慮經濟成本。選用時要注意如下4點：1)對中壓B級及以下的輸氣管網,建議采用灰鑄鐵閥門,其最大優點是防腐蝕性能好,價格便宜；2)對次高壓B級及以下的管網,建議選用球墨鑄鐵或鑄鋼閥門,推薦選用前者，球墨鑄鐵的力學性能與鑄鋼相近,而其防腐蝕性能和鑄造工藝都優于鑄鋼,價格也低于鑄鋼，因此上述壓力范圍內應盡可能選用球墨鑄鐵閥門；3)對次高壓A級及以上的輸氣管網,建議選用鑄鋼閥門；4)PE材料一般用于0.4 MPa壓力級別及以下的輸氣管網，PE球閥可直埋,密封性能較好,抗振性能優于金屬閥門，而且不需要日后的維護，是將來的發展趨勢。

3.2密封性能選用要求

由于多數天然氣管線都鋪設在地下，因此地下管網的閥門應能承受天然氣管網的最高壓力,同時在承受各種外力時要保證在許可范圍內的變形和保證嚴格的密封性。為了確保可靠的密封性，通常重要部位和埋地的閥門都采用閥體全焊式結構，對于密封副的要求是耐磨、耐腐蝕、自潤性好且彈性佳。其中，軟密封閥門在額定壓力的1.1倍下不能出現任何內泄漏,硬密封在額定壓力的1.1倍下內泄漏量不能超過規定值,不能出現任何外泄漏。常用的閥門密封材料有聚四氟乙烯、丁腈橡膠和特殊合成橡膠等。

3.3強度選用要求

天然氣管道中使用的閥門均要承受氣體高壓，除了考慮不同閥體的制造工藝差別和安全系數選用外，還要考慮生產施工中的實際工作情況,留出熱脹冷縮的余量以及振動、地震等其他因素引起的閥門在管道上的壓縮和彎曲變形等,所以應保證閥門的強度可以承受此類變形。

3.4壽命選用要求

由于天然氣管網一旦建成就要連續工作，除了停氣檢查外，整個管網都在不斷運行，一般主干線管道閥門使用壽命要>30 a[5]；所以，選用閥門的零部件應盡量采用維護需要少甚至不需要維護的結構來保證運行穩定。閥門是整個管網的薄弱環節,特別是對于一些易損件(如閥座和閥芯等)提出了很高的要求。對于這些易損件應盡量選用質量好,維護性能好的材料，以增長閥體壽命。

4常用天然氣管網閥門的優缺點

本文選取幾類常用的天然氣管網閥門作為研究討論對象，旨在針對現有的使用情況指出各自的優缺點。

4.1球閥

球閥是通過閥桿帶動起閉件(球體)，并繞閥桿的軸線做旋轉運動的閥門，主要用于截斷或接通管路中的介質，特別適用于含纖維和微小固體顆料等的介質。球閥誕生于20世紀50年代，由于拋光等生產工藝及產品結構的不斷改進，在短短的40年時間里，球閥已迅速發展成為一種主要的閥類。在工業發達的國家，球閥的使用正在逐年不斷上升，在我國也有著廣泛的應用[6]。

球閥具有下述優點：1)流體阻力小，全通徑的球閥基本沒有流阻；2)結構簡單、體積小、質量小；3)緊密可靠，球閥有2個密封面，而且其密封面材料廣泛使用了各種塑料，密封性好，能實現完全密封；4)操作方便，開閉迅速，高性能球閥從全開到全閉只要旋轉90°,便于遠距離控制；5)維修方便，球閥結構簡單，密封圈一般都是活動的，拆卸更換都比較方便；6)在全開或全閉時，球體和閥座的密封面與介質隔離，介質通過時不會引起閥門密封面的侵蝕；7)閥體對稱，尤其是焊接閥體結構能很好地承受來自管道的應力。進一步來講，目前我國燃氣管道使用的球閥按結構分為2種，一般根據壓力等級和公稱通徑劃分。當公稱通徑>DN200或壓力級制較高的情況下，需用固定球結構，固定球閥在閥門全關時壓在球體上的作用力傳遞到上、下2個球體支承軸上，減少了操作力矩；另外一種是浮動球閥，即球體在閥腔內可浮動，依靠兩端的密封座壓緊球體而穩定，這種球閥只能用于公稱通徑較小(<150 mm)或壓力級制較低(<0.8 MPa)的場合，否則起閉扭矩會很大，造成操作困難。

4.2閘閥

閘閥是通過利用閘板的運動方向與流體方向相垂直而實現切斷和開起閥門，其優點如下：1)流動阻力小，閥體內部在打開狀態時介質通道是直通的，介質成直線流動；2)起閉時較省力，開關力相差不大，無論是開或閉，閘板運動方向均與介質流動方向相垂直；3)介質可向兩側任意方向流動，便于安裝，閘閥通道兩側是對稱的；4)形體簡單,結構長度短，不必采用防止異常升壓的特殊機構，制造工藝度好，適用范圍廣；5)結構緊湊，閥門剛度好，由于對密封面涂料要求較高，所以密封件質量較好，因此適用于多種場合。其缺點在于：1)由于使用螺旋線，導致結構尺寸與其他閥類相比較大；2)開起、關閉的操作過程較長，不利于緊急情況下使用；3)結構較為復雜，密封面容易出現漏滴且維修較為麻煩。

4.3旋塞閥

旋塞閥是一種以帶通孔的塞體作為起閉件的閥門，通過塞體隨閥桿轉動實現起閉動作。旋塞閥的塞體多為圓錐體，與閥體的圓錐孔面配合組成密封副，同時旋塞閥也是使用最早的一種閥門，其優點包括：1)旋塞閥流體阻力小；2)結構簡單，相對體積小，質量小；3)開關迅速，只需要擰1/4圈就可以實現起閉動作，適用于石油化工行業；4)無振動而且噪聲小。然而，普通旋塞閥靠精加工的金屬塞體與閥體間的直接接觸來密封，所以密封性較差，起閉力大，容易磨損，因而通常只能用于低壓(≤1 MPa)和小口徑(<100 mm)的場合。同時，閘板在開起和關閉的過程中始終存在摩擦,因此操作扭矩大,并且在閘板及閥座密封面上易產生劃痕,導致閥門泄漏。對于含有顆粒雜質的介質(如沙粒),沉積在閥門底部,使閘板無法完全關到位,會導致閥門的泄漏較為嚴重[7-8]。

5天然氣管道閥門的發展方向

在使用方面，球閥因其優勢，在閥門選擇時仍為首選，在高壓力的管道方面主要使用平板閘閥，而在天然氣管道和場站控制中需要用旋塞閥來起到補充切斷作用；同時，燃氣緊急切斷閥、調壓器用緊急切斷閥和燃氣止回閥等更多專業的燃氣閥將被廣泛使用。在新材料方面，隨著高分子材料科學技術的飛速發展以及高分子材料的應用領域日趨廣泛，其質輕、耐腐蝕和加工工藝簡單等優異特性日顯突出，諸如PE材料的閥門必將成為日后發展的趨勢。在設計方面，隨著CAD、CAM和CAPP等計算機輔助設計方法的普及，燃氣閥門的開發將更具有科學性，同時，基于上述技術的廣泛應用，相較于傳統設計方法，其設計周期將更短，設計成本將更低。在維護檢測方面，常規的內漏檢測方法如加壓檢測法和氣泡檢測法等均需拆卸閥體，在拆卸過程中易因操作不當而損壞球閥，從而延誤生產，因此，新型的檢測方法必然從帶壓檢測入手，即在不停氣的情況下而完成檢測工作；另外，就維護而言，新材料的使用會減少維護次數，甚至不用維護，從而節約了后期成本。

6結語

燃氣管道閥門作為天然氣管道鋪設中的關鍵部件,選用是否合理以及使用過程是否安全可靠決定了整個天然氣管道的質量，因此，在實際設計時，應根據實際情況和潛在的各種影響因素綜合分析,以保證管道閥門的設計質量；同時，也應當把握整個行業的趨勢，積極使用新方法。

參考文獻

[1] 張明濤.我國天然氣市場研究[D].北京：中國石油大學,2007.

[2] 王勃.大型城市天然氣管網建設特點探討[J].天然氣與石油,2011,29(4):12-14.

[3] 戴金星.中國天然氣工業發展趨勢和天然氣地學理論重要進展[J].天然氣地球科學,2005,16(2):127-129.

[4] 王師熙.城市天然氣輸配系統閥門的選用[J].煤氣與熱力,2006,26(5):4-6.

[5] 劉憲東.燃氣閥門應用現狀及選型初探[J].科技論壇,2007,12(2):108-109.

[6] 李錚.中國城鎮燃氣專業標準化綜述[J].城市燃氣,2002,324(2):11-13.

[7] 于政凱.天然氣管道 SCHUCK 閥門的設計、結構解析及閥門維護[J].科技創新導報,2011,112(4):82-83.

[8] 屈書媛.燃氣聚乙烯(PE)閥門應用淺析[J].上海煤氣,2006,68(4):25-27.

責任編輯李思文

Research on Nature Gas Pipeline Valves

CHEN Haowei， CAI Xiaojun

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617,China)

Abstract:With the twenty-first Century outbreak of centralized energy, natural gas as a substitute for traditional energy sources plays an important role in all walks of life, the study on distribution equipment related to natural gas has been becoming more and more perfect. Natural gas pipeline valve is an important part of natural gas storage link, plays the seal gas pipeline, a number of mission off. In the related theory development today, people study the theory for the natural gas pipeline valve gradually, research new valve and related components to the market, and get the ideal use effect. In this paper, in view of the current natural gas pipeline was widely used in valve types summarized research, which aims to summarize previous experience and put forward reasonable suggestions from the perspective of the individual.

Key words:nature gas, pipeline, valves

收稿日期：2014-05-06

通信作者：蔡曉君

作者簡介：陳昊煒(1992-)，男，大學本科，主要從事機械設計等方面的研究。

中圖分類號：TS 737+.3

文獻標志碼：A