石油天然氣工業常用閥門標準應用要點分析與對比

魏 濤， 董姝妙， 全本軍

(1.中國石油工程建設有限公司，北京 100120；2.中國石油工程建設有限公司 北京設計分公司，北京 100085)

閥門是最常見的工業標準管件，用途主要有開閉管路、控制流向、調節和控制輸送介質的參數(溫度、壓力和流量)等，其設計、選材、試驗和檢驗均必須遵守相應的標準規范[1]。閥門標準規范的數量和種類，一直隨著生產需要的變化和技術的發展在增加和改進。國際上通用的閥門標準，按其制定者劃分為英國標準(BS)、日本標準(JIS)、德國標準(DN)、國際標準組織標準(ISO)、美國機械工程師協會標準(ASME)和美國石油學會標準(API)。在石油天然氣工業的閥門設計、制造、安裝、檢驗、使用、維護和檢修等環節中，需要重點了解和熟悉ASME標準和API標準[2]。

1 閥門標準機構及常用標準介紹

1.1 美國機械工程師協會

美國機械工程師協會(American Society of Mechanical Engineers)于1880年成立，在世界范圍內擁有很高的權威和廣泛的行業影響力。ASME主要致力于機械工程及相關領域的科學研究，制定了一系列的機械標準和規范。ASME同時是世界最大的技術文獻出版機構之一，其出版和發行的約600項技術法規與標準被世界100多個國家和地區廣泛采用。

ASME標準中關于閥門的標準適用于包括石油天然氣行業在內的多個領域，最常用3個ASME閥門標準分別涉及： ①法蘭、螺紋及焊接連接閥門(ASME B16.34—2017)。②管法蘭和法蘭管件-NPS1/2-NPS24(ASME B16.5—2017)。③閥門的面到面和端到端長度(ASME B16.10—2017)。

1.2 美國石油協會[3-5]

美國石油學會(American Petroleum Institute)是一個非營利機構，是美國石油工業主要的貿易促進協會，成立于1919年。API負責石油和天然氣工業用設備標準的制定和出版，確保石油天然氣工業設備的安全、可靠使用以及可互換性。API代表美國石油工業勘探、開發、運輸、煉化和營銷等方面280多家公司的利益，其會員來自世界各地，API標準在世界范圍內有著廣泛的影響力。

API標準中關于閥門標準較多，主要包括：①管道閥門規范(API 6D)。②法蘭和對焊端螺栓連接閥蓋鋼制閘閥(API 600)。③石油天然氣工業用DN100 mm及以下鋼制閘閥、截止閥和止回閥(API 602)。④井口和采油樹設備(API 6A)。此4個標準中，API 6D最為常用。

2 標準規范應用要點分析與對比

閥門最主要的參數是閥門尺寸、壓力等級和材質，通常這3個參數會在閥門閥體上標識出。例如標記2″150 WCB，代表閥門內徑為2英寸(實為所連接管道的尺寸，非閥門真實內徑)、壓力等級為150磅級、材料為WCB的閥門。以下從閥門尺寸、壓力等級以及材料等方面，對常用標準的應用要點進行分析與對比。

2.1 ASME B16.34[6-9]

ASME B16.34是工業閥門最基礎的標準，同樣適用于石油天然氣工業，該標準起源于1939年美國標準協會(ASA)出版的B 16E標準[4]，每4～5 a修訂一次，最新版本是ASME B16.34—2017 《Valves—Flanged, threaded, and welding end》。ASME B16.34中可以找到對閥門尺寸、溫度壓力等級、材料和閥體壁厚等的規定。

2.1.1 閥門實際內徑

ASME B16.34給出了不同管道公稱尺寸(NPS)、不同壓力等級下閥門對應的內徑尺寸表，該表可用于確定閥門真實內徑，為非強制附錄A中表A-1。為方便文中分析時進行參照，摘取ASME B16.34的非強制附錄A中表A-1的部分數據，見表1。

表1 ASME B16.34中閥門內徑部分數據

從表1可知，對于給定的NPS，閥門的內徑并不精確等于管道尺寸NPS，且不同壓力下閥門的內徑不同，隨著壓力等級升高，閥門內徑逐漸減小。對于給定的NPS(閥體上標注的尺寸)，可查到對應壓力等級下的閥門真實內徑。

2.1.2 閥門壓力等級

閥門壓力等級表征閥門的承壓性能。ASME B16.34表3A提供了閥體最小壁厚與閥門等級及管道內徑的對應關系,根據表3A可確定閥門最小壁厚。閥門設計中通常考慮一定的安全系數，取最小壁厚的1.35倍確定為閥門壁厚。為方便文中分析時進行參照，摘取了ASME B16.34 表3A的部分數據，見表2。

表2 ASME B16.34中閥門最小壁厚部分數據

從表2可以看到，閥門的壓力等級、連接管道的內徑和閥門的最小厚度這3個參數之間關系密切，只要其中2個數值已知，就可據表查出第3個。Class 150、Class 300、Class 600、Class 900、Class 1500、Class 2500和Class 4500中的數值無單位，不表示具體的壓力，只是一個概數。如2″CL 150的閥門，其承受的壓力并不準確等于150PSI(Pounds per square inch)。

閥門材料承受壓力的能力取決于材料的強度，而材料的強度又與使用溫度有關，因此準確的壓力值還需要進一步根據閥門的使用溫度來確定。ASME B16.34中表2根據閥門材料的不同分為表2-1.1～表2-3.19(根據ASME B16.34，將閥門材料分成了3類共50組材料)，每組材料對應1個表格，且每個表分A、B共2部分，其中A代表法蘭連接閥門，B代表螺紋和焊接連接的閥門，因此在使用標準中的表2時，需注意閥門材料和其連接形式。ASME B16.34表2-1.1～表2-3.19提供了不同溫度下不同壓力等級閥門所承受的壓力值。為方便文中分析時進行參照，摘取ASME B16.34表2-1.1～表2-3.19部分數據，見表3。表3中閥門材料主要有A105 (1), (2)、A515 Gr. 70 (1)、A696 Gr. C (3)、A672 Gr. B70 (1)、A216 Gr. WCB (1)、A516 Gr. 70 (1) (4)、A350 Gr. LF6 Cl. 1 (5)、A672 Gr. C70 (1)、A350 Gr. LF2 (1)、A537 Cl. 1 (3)及A350 Gr.LF3 (6)。

表3 ASMB B16.34中部分材料的壓力-溫度等級部分數據

注：1)此行為B特殊等級數據，其余均為A標準等級數據。

由表3可知，Class 150的閥門，其工作壓力在不同溫度下的值為19.6～1.4 bar(284～20.3 PSI)，并不一定等于150 PSI。

2.2 ASME B16.5[10]

ASME B16.5是設計法蘭連接式閥門的設計標準，包括法蘭的尺寸、法蘭與管道、法蘭與法蘭間的連接形式。法蘭連接的閥門中絕大多數法蘭都是與閥體一體的，因此只需考慮閥門法蘭與管道端的法蘭連接形式即可，兩片法蘭之間連接需要用墊片來進行密封，通過螺栓緊固，使兩片法蘭夾緊墊片而不產生泄漏。ASME B16.5提供了常用的突面(Raised Face，RF)和全平面(Flat Face，FF)、凹面(Female Face)和凸面(Male Face)、榫面(Tongue Face)和槽面(Groove Face)、環連接面(Ring Joint Face)4類密封形式的法蘭密封面形式，見圖1。閥門設計時，一般依據壓力等級條件選擇法蘭密封面形式。

圖1 常用的4類法蘭密封面形式

2.2.1 突面和全平面密封

當閥門的壓力等級較低(Class 150和Class 300)時，閥門法蘭與管道端法蘭采用RF密封面形式，不需要對墊片進行保護，兩片法蘭直接夾緊墊片實現密封。墊片厚度較大(一般大于4.5 mm)時，可直接采用FF密封面的法蘭進行連接。

2.2.2 凹凸面密封

當閥門的壓力等級升高(Class 600和Class 900)時，閥門與管道之間的連接采用凹凸面(Male Face & Female Face，MF)密封形式。MF密封面與墊片配合使用時，墊片處于Female端的凹面內，可以承受升高的壓力作用而不被破壞。

2.2.3 榫槽面密封

當閥門的壓力等級繼續升高(Class 1500)時，閥門與管道之間的連接采用榫槽面(Tongue Face & Groove Face，TG)密封形式。TG密封面與墊片配合使用時，墊片完全處于Groove斷面的溝槽的封閉空間內，可以承受更高壓力的作用而不被破壞。

2.2.4 環連接面密封

當閥門的壓力等級更高(Class 2500) 時，采用環連接面(RJ)密封面連接形式。此時與密封面配合使用的墊片要求相應提高，內環石墨、外環金屬纏繞的墊片也需替換為八角金屬墊片，這種結構中金屬墊片完全嵌在兩片法蘭之間的密封圈內。

法蘭尺寸需根據ASME B16.5中的相關表格確定。以Class 150 法蘭為例，需運用ASME B16.5中表4-法蘭面尺寸(除RJ形式外的所有壓力等級)和表7-150磅法蘭鉆孔模板來確定法蘭的尺寸，包括法蘭外徑、螺栓孔中心位置、螺栓數量、墊片直徑和厚度以及法蘭內徑。

2.3 ASME B16.10[11-12]

閥門的結構長度對于保證閥門的互換性具有重要意義。更換閥門時，要保證更換不會改變連接管道的長度，不僅要選對閥門的材料、規格、壓力等級和端面連接形式，還要選對閥門的結構長度。確定閥門的長度要依據ASME B16.10標準。

ASME B16.10將閥門結構長度分為2類，即其標準名稱中給出的面到面尺寸和端到端尺寸。在應用此標準設計閥門長度時，首先需要明確面到面和端到端2個概念的區別和聯系。法蘭連接閥門的面到面結構長度是末端間即墊片接觸表面間的距離。面到面尺寸概念適用于法蘭面為平面、突面、凸面及榫面的法蘭連接閥門。墊片接觸面不位于閥門末端的法蘭連接的閥門，其末端間的距離稱為端到端結構長度。端到端尺寸概念適用于法蘭端面為環連接、凹面及槽面的法蘭連接閥門。

ASME B16.10中通過表格(表9)形式提供了各種法蘭端面的法蘭連接閥門(面到面和端到端)結構長度的確定方法。結合ASME B16.10定義的面到面和端到端概念以及表9的內容進行綜合分析可知，端到端閥門的結構比面到面的閥門結構更長。在給定的NPS下，RF和FF密封面形式閥門的長度可以依據某個磅級法蘭連接鑄鐵閥門和某個磅級法蘭連接和對焊連接鋼制閥門的(面到面和端到端)結構長度通過直接查表(ASME B16.10表2～表8)得到。對于RJ密封面形式的閥門的長度，則需要在查表(ASME B16.10表2～表8)結果的基礎上加相應的修正系數得到，修正系數的大小可從ASME B16.10中表10(150～500磅RJ密封面形式的鋼制閥門的端到端長度)查到。

2.4 API 6D[13-22]

API 6D是管線閥門標準，全稱為《管道及管線閥門規范》，與ISO 14313:2007《石油天然氣工業-管線輸送系統-管線閥門》等同，該標準是石油天然氣工業閥門設計的重要標準，其適用范圍包括閘閥、旋塞閥、球閥和止回閥。

在閥門主要設計要素上，API 6D和ASME B16.34有所不同，API 6D中關于閥門尺寸、壓力和材料的規定如下。

2.4.1 閥門內徑

閥門設計中首先要確定的尺寸是閥門內徑。API 6D中以表格(表1)形式提供了全通徑閥門最小通徑尺寸，此表與ASME B16.34中的表A-1的作用一致，用來確定閥門內徑。

為方便文中分析時進行參照，摘取API 6D中表1的部分數據，見表4。

表4 API 6D中全通徑閥門最小通徑部分數據

比較API 6D中的表1和ASME B 16.34中的表A-1可以看出，2個標準的閥門內徑不一致，以4 in Class 900閥門為例，ASME B16.34中查到的閥門內徑為98.3 mm，API 6D中查到的閥門最小通徑為100 mm，顯然API 6D閥門的內徑要比ASME B16.34閥門的大。

這是因為API 6D考慮了閥門在石油天然氣工業應用中介質和環境的特殊性。當管道和閥門處于輸送原油的系統中時，由于原油具有黏性，通常會在管道內壁形成結蠟，為保證管道暢通需用清管器進行清管操作。為保證清管器的順利通過，用于原油輸送系統中的閥門沒有縮徑閥門，因此API 6D中的閥門尺寸比ASME 16.34中的閥門尺寸大。

2.4.2 閥腔自動泄壓

API 6D 中采用了與ASME B16.34基本相同的閥門壓力等級和閥門溫度等級。不同的是，API 6D規定了閥腔自動泄壓要求。閥門在開關過程中，流體介質會進入閥腔，閥腔會存在壓力，且隨著環境溫度升高，閥腔內壓力也會升高，但閥腔承受的最高壓力不能高于1.33倍的閥門壓力。按照自動泄壓功能要求，當閥腔內壓力高于管道內壓力時，閥座離開球體或閘板，將壓力泄放到管線中，閥腔超壓泄放示意見圖2。按照自動泄壓功能要求，閥座應為單活塞效應(Single Piston Effect，SPE)類型的閥座。

圖2 閥腔超壓泄放示圖

2.4.3 材料

API 6D 中閥門材料與ASME B16.34保持一致，都采用ASTM材料標準。API 6D閥門許多內部零部件材料為非金屬材料，在閥門設計時需要有防火安全的設計。閥座采用2種材料組成，外圈是金屬材料、內圈是非金屬材料，在出現火災非金屬材料的閥座失效時，金屬閥座可以充當第2道密封，以隔絕火情。

2.4.4 閥座

API 6D中閥座結構有2種，分別是單向密封閥座結構和雙向密封閥座結構。單向密封閥座結構具有單活塞效應，雙向密封閥座結構具有雙活塞效應。

單向密封閥座結構見圖3，此閥座具有自動泄壓功能。當閥門處于關閉狀態時，在球體上游的流體介質會聚積并產生壓力，使閥座緊靠球體實現密封。中腔壓力升高時，中腔壓力反推閥座，壓縮預緊彈簧，將使下游閥座脫離球體而將超出的壓力泄放。這種閥座的布置形式可實現雙截斷泄放功能(Double Block & Bleed，DBB)。單向密封閥座只對單個方向的流體介質起密封作用，上游流體介質推動閥座向球體運動，產生密封比壓，形成密封。下游流體則推動閥座離開球體，產生泄放。閥座對下游流體不起密封作用，以此實現單活塞效應。

圖3 閥腔超壓時自泄放閥座的單向密封結構

雙向密封閥座結構見圖4。當閥門在關閉位置且上游閥座失效時，閥腔中的壓力因介質充入而增加。閥腔中的壓力將激發下游閥座的雙活塞效應，使下游閥座與球體之間形成第二道密封。這種閥座的布置形式能實現雙隔斷泄放功能(Double Isolation & Bleed，DIB)。由以上分析可知，雙活塞效應閥座的功能是，對單個閥座來說，無論是閥腔充壓還是管道充壓，閥座均是抱緊球體。

圖4 閥腔超壓時雙活塞效應閥座的雙向密封結構

2種不同閥座組合可實現不同功能，上下游閥座都是SPE閥座時，這種閥門可實現DBB功能；上下游閥座都是DPE時，可實現DIB功能。

3 結語

介紹了石油天然氣工業3種最常用的ASME閥門標準和1種API閥門標準，分析比較了各標準在閥門結構尺寸、壓力等級、材料選擇以及閥座結構形式等方面的應用要點，可為相關技術人員提供參考。需要說明的是，隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，標準和規范也在不斷修訂和完善中，要全面了解和深入掌握不同時期ASME和API標準的要求及其細微差異，還需要深入研讀標準原文。