大口徑油氣管線固定球球閥四閥座結構設計

張明

中國石油西部管道公司

管線輸送是當代油氣輸送的主要方式之一,利用長距離管線輸送油氣資源已成為當今世界能源輸送的主要手段.主要油氣生產國和消費國大都采用長輸管線來解決油氣資源的運輸問題,其中,天然氣95%以上采用管線輸送方式.油氣介質屬易燃、易爆物類,且輸送壓力很高,加之長輸管線一般途經地理環境復雜、氣候惡劣、環境溫度變化大的區域,且管線投運后,要求能夠長期連續安全可靠運行[1].

管線球閥屬于管道輸送系統中關鍵且使用數量較大的設備,同時也是出現各類問題最多的設備.管線球閥在管道系統中起著控制隔斷和聯通的作用,閥門內漏導致關閉不嚴,對管線作業和管道運行的安全可造成嚴重后果,因內漏更換閥門導致運行調整、停輸、放空等經濟損失遠高于閥門自身的價值[2-3].因此,長輸管線閥門比通用閥門要求具有更高的安全可靠性、密封性和足夠的強度及剛性,以確保長輸管線安全可靠運行[4].國內有些惡劣的油氣輸送介質及較差的施工質量常導致常規閥座球閥密封失效,如西部管道公司近3年西二三線西段和雙蘭線更換了近百臺關鍵位置的閥門.

目前,國內外油氣管道用管線閥門多為常規閥座的固定式全焊接球閥,按閥體型式主要有筒形閥體和球形閥體兩種,但閥座型式是一致的,為一個閥門設計兩個閥座,即上游和下游各一個閥座,如圖1所示.閥門通過球體轉動到關閉位置時,球體的球面與閥座的密封面之間形成的接觸實現管道介質的隔斷和隔離,閥門內漏的可能性主要集中發生在閥座密封上.

圖1 常規管線球閥Fig.1 Conventional line ball valve

1 四閥座結構設計

球閥的結構和閥座的密封決定了閥門內漏的可能性,拆解長輸油氣管線內漏球閥,進一步驗證閥座密封失效的主要原因[5],對閥門可靠性、密封性和長久使用壽命起著十分重要的作用,故閥座密封是閥門設計的重要環節.

1.1 組成

常規固定球球閥的閥座只有2個,無論采用雙活塞效應閥座(DPE)還是單活塞效應閥座(SPE)[6-7],閥座均易受到破壞而失效.提出四閥座結構即閥體左、右兩側分別設計2個閥座,4個閥座形成串聯式工作效應,各個閥座工作相對獨立,均起到密封作用.其基本組成如圖2所示.

1.2 工作原理

第1階段:初始工作狀態下閥門處于關閉狀態,當閥門從左端進壓時,壓力推動上游第一級閥座壓向球體,即閥座A1(圖3)密封,閥座A2、B1、B2不起密封作用.

圖2 四閥座結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the four-valve-seat structure

圖3 A1閥座密封Fig.3 A1 valve seat seal

第2階段:當閥座A1損壞時,即閥座A1泄漏,壓力推動閥座A2壓向球體,閥座A2開始起密封作用(圖4),閥座B1、B2不起密封作用.

圖4 A2閥座密封Fig.4 A2 valve seat seal

第3階段:當閥座A1、閥座A2同時損壞時,壓力進入中腔,閥座B2產生雙活塞效應,即閥座B2在壓力作用下推向球體,閥座B2開始起密封作用(圖5),閥座B1不起密封作用;

圖5 B2閥座密封Fig.5 B2 valve seat seal

第4階段:當閥座A1、閥座A2、閥座B2同時損壞時,若閥座B1為單活塞效應,即自泄壓,閥座B1不起密封作用;但若B1閥座采用雙活塞效應的閥座(僅可用于輸氣),仍可實現密封,如圖6所示.

圖6 B1閥座泄壓或密封Fig.6 B1 valve seat relief or seal

以上分析表明,四閥座球閥任何1個或2個乃至3個閥座失效都不會影響閥門正常工作,從而使閥門的整體密封功能更可靠,密封性能得到加強,設備擁有更長的使用壽命[8].

1.3 閥體強度計算

四閥座球閥比常規管線球閥具有更大閥體尺寸,作為管線閥門必須具有足夠的強度和剛度,材料的選用應充分保證與相應管道、管件之間的適配性和可焊性.

管線閥門設計通常按照技術協議和API 6D-2014《管線和管道閥門規范》的要求進行.承壓件的最小壁厚,在API 6D-2014中規定了若干可采用的標準,如:ASME鍋爐和壓力容器規范第Ⅷ部份、ANSI/ASME B16.34等規范.不論按哪個標準設計,應能保證閥門在API 6D-2014中要求的1.5倍額定壓力的閥體強度試驗壓力.當對于相應標準中強度試驗壓力不足1.5倍額定壓力時,應提升計算壓力,直到該強度試驗壓力與API 6D-2014中要求的1.5倍額定壓力保持一致.

式中:p計算為采用的標準中的計算壓力,MPa;p為閥門的額定壓力,MPa;N為采用的標準中殼體水壓力強度試驗與計算壓力的比值(具體數值按所采用標準確定).

1.4 閥門轉矩

與常規兩閥座球閥不同,四閥座球閥的轉矩會有所加大.首先,四閥座球閥為了保證閥門在關閉時,4個閥座能夠同時處于與球面的密封接觸,并能夠讓球體保持足夠的剛性以便保證密封零泄漏,因此球體會比常規球閥大,增加了摩擦半徑;其次,四閥座存在大小閥座、密封型式以及活塞效應之分,因此每個閥座密封摩擦力不同,貢獻的閥門轉矩也不同,通常在活塞效應差距不大時,尺寸大的內閥座貢獻的轉矩最大;最后,4個閥座在彈簧預緊力的作用下同時對球面產生推力,其預緊轉矩為4個閥座之和,比常規球閥的預緊轉矩要大1倍.總體轉矩提升在可接受范圍之內.

閥門在執行器選型上,應按閥門供應商提供的閥門轉矩乘以安全系數進行選型,在較大口徑閥門的執行器選型上可能會增大型號.

2 四閥座特點

2.1 構建隔離密封陣列

四閥座球閥閥體兩側分別設計2個緊鄰閥座,面積差使壓力介質作用在閥座上的力加上彈簧力形成足夠大的密封壓力可推動閥座抱緊球體,閥座軟密封產生的彈塑性變形實現密封[9],兩側4個閥座形成隔離密封陣列,當且僅當連續3個閥座(最后閥座為SPE)或4個閥座(最后閥座為DPE)失效,才會出現泄漏(圖7),構建的隔離密封陣列極大地降低了泄漏的風險和概率.

2.2 閥座多種組合

四閥座球閥每個閥座都能相對獨立地完成密封作用,閥座有多種組合方式的選擇,可采用金屬密封與復合密封、軟密封與復合密封等多種組合密封方式,以適應不同介質、不同工況的要求.

2.3 外側閥座集密封與清潔一體

當外側閥座完好時,將起到截斷介質實現密封的作用;若外側閥座損傷,能持續為內側密封閥座提供保護作用,即充當介質沖刷的屏障,同時也在閥門開關過程中對球面預先清潔[10];當采用單活塞的內側閥座時,為封閉的閥座間內壓提供超壓保護,如圖8所示.

圖7 隔離密封陣列Figu.7 Isolation seal array

圖8 閥座密封與清潔一體Fig.8 Integrated valve seat seal and cleaning

2.4 獨有封閉注脂腔

內外兩級閥座為獨立結構,在預緊彈簧作用下與球面緊密貼合,從而形成嚴密的封閉環形腔體,獨有的封閉注脂腔使注入的密封脂不會向閥門通道中流失.緊急情況下,通過注脂能夠形成可靠的緊急注脂密封,消除普通球閥密封脂流失進通道,保證了密封效果.獨有的封閉注脂腔如圖9所示.

圖9 封閉注脂腔Fig.9 Closed grease chamber

2.5 壓力緩沖區設計

閥門在開啟上游壓力接通之前,內側閥座已實現密封面前后的平衡.全壓開啟時,外側閥座為內側閥座提供壓力緩沖帶,如圖10所示,大大提高內側閥座的抗沖擊能力[11-12].

圖10 閥座緩沖保護Fig.10 Valve seat cushion protection

3 結論與建議

(1)四閥座固定球閥利用多個閥座形成隔離密封陣列,具有普通兩閥座固定球閥所不具備的性能,提供了一種旨在提高閥門密封可靠性的全新解決方案,為推動管線球閥技術的持續進步提供了一種創新思路.大規模工業化應用,將為長輸油氣管線截斷閥的選型提供較理想的選擇.

(2)基于管道安全考慮,關鍵位置線路截斷球閥建議選用四閥座管線球閥(ESD),如線路閥室截斷閥、進出站及越站緊急關斷球閥、壓縮機進出口截斷閥、西二三線聯絡閥等;對于輸油管道,在閥座活塞效應基礎上改用輸油四閥座球閥可提高管道系統的安全可靠性.