帶袖管管線球閥高效試壓方案及工裝設(shè)計(jì)

張同鐘，楊安金，李文艷，楊保軍

（1.中國石油渤海石油裝備制造有限公司，天津 300450；2.渤海石油裝備中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

大口徑球閥是長距離、高壓輸油輸氣管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件，因其具有啟閉迅速、密封性能良好、密封持久等優(yōu)點(diǎn)，尤其是全焊接式球閥，可與管道焊接在一起，直埋于地下，是石油、天然氣管道主干線最理想的閥門種類。“十四五”期間，我國新建天然氣主干及配套管道的力度將持續(xù)加大，尤其是碳中和要求的提出，會(huì)給管道設(shè)備提供更多的機(jī)遇。隨著48英寸及56英寸規(guī)格球閥的批量國產(chǎn)化并實(shí)際應(yīng)用，不僅在降低工程造價(jià)、加快工程進(jìn)度方面具有重要社會(huì)意義，而且對振興裝備制造業(yè)，保證國家能源安全供應(yīng)具有重要戰(zhàn)略意義。

1 管線球閥試壓要求

能源供給線對管線球閥的密封可靠性要求極高，需保證球閥投入使用后可連續(xù)運(yùn)行30年以上。為了保障管道的安全運(yùn)行，國際、國內(nèi)閥門行業(yè)對球閥的密封性能測試都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)大綱。管線球閥的測試項(xiàng)目包括閥體殼體靜水壓試驗(yàn)、全壓差試驗(yàn)、閥座水壓密封試驗(yàn)、DIB-1功能試驗(yàn)、閥座低壓氣密性試驗(yàn)、閥座高壓氣密性試驗(yàn)等，試壓要求見表1～表5。

表1 閥門測試壓力 MPa

表2 測試穩(wěn)壓時(shí)間 min

表3 安全閥試壓壓力 MPa

表4 高壓氣密封試驗(yàn)測試壓力 MPa

表5 高壓氣密封試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間 min

2 管線球閥試壓方案

為了降低現(xiàn)場焊接對閥座密封產(chǎn)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)、提升現(xiàn)場焊接速度和質(zhì)量，焊接連接的球閥兩端需焊接過渡段（袖管），且要求閥端的屈服強(qiáng)度不得低于袖管屈服強(qiáng)度的70%。目前，焊接連接的球閥有兩種殼體靜水壓試壓方案，若球閥與袖管的設(shè)計(jì)壓力滿足整體試壓的要求，可以焊接完袖管后按照閥門在20℃下以最大允許工作壓力的1.5倍，對閥門和袖管進(jìn)行整體強(qiáng)度試壓。若球閥和袖管不能承受同樣的試壓壓力，則先按閥門在20℃下以最大允許工作壓力的1.5倍進(jìn)行殼體試壓，合格后焊接袖管，再按袖管設(shè)計(jì)壓力的1.5倍對閥門和袖管進(jìn)行整體殼體試壓。

對于可進(jìn)行一次性整體試壓的焊接連接球閥，若先焊接球閥且試壓合格后再焊接袖管，可以有效減少球閥試壓不合格的返工成本。帶延長桿的埋地球閥閥門試壓合格后再焊接袖管，使制造難度、工作量加大。為了更好地提升制造效率，有的企業(yè)采取了提前加工完成與現(xiàn)場管線焊接的袖管坡口，將閥端和袖管焊接后進(jìn)行射線探傷（RT），最后按焊接閥體和閥端間主焊縫的方式組織生產(chǎn)。

由于閥端與袖管間的焊縫需要進(jìn)行射線探傷，若整閥主焊縫焊接后再焊接袖管，大規(guī)格的閥門和袖管焊后整體尺寸和重量較大，受到RT探傷設(shè)備和場地的限制，只能使用便攜式探傷機(jī)檢測，探傷效率較低。若先焊接閥端與袖管，兩個(gè)部件的重量約占整閥重量的20%，尺寸約為整閥尺寸的40%，可以在射線探傷室進(jìn)行探傷，探傷效率高。且袖管與現(xiàn)場鋼管焊接的坡口已提前經(jīng)過機(jī)床高質(zhì)量加工，可避免大規(guī)格整閥最終坡口難以加工、效率低的問題。原方式為購置專用坡口切割機(jī)，按照袖管預(yù)留長度，掛附在袖管上加工的方式，坡口小鈍邊很難保證加工精度。

若先焊接整閥主焊縫，之后再焊接袖管時(shí)需要做好防護(hù)才能避免雜質(zhì)進(jìn)入閥門內(nèi)部，該工序也存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。而先進(jìn)行閥端與袖管焊接，焊接結(jié)束后兩個(gè)部件可清理干凈再最后焊接主焊縫，規(guī)避了雜質(zhì)進(jìn)入閥門內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，袖管坡口加工完成后與閥端焊接，然后再焊接閥體閥端主焊縫的方式效率較高。但由于球閥需要測試的內(nèi)容較多，且多采取工裝徑向密封的試壓方式，單側(cè)試壓、球閥關(guān)閉狀態(tài)下，內(nèi)部試驗(yàn)介質(zhì)壓力會(huì)推動(dòng)球閥往受力側(cè)工裝移動(dòng)，并使之承受單側(cè)壓力。閥座水壓密封試驗(yàn)及功能性試驗(yàn)時(shí)，以48英寸900磅級全焊接球閥為例，其單側(cè)內(nèi)部液體所產(chǎn)生的巨大推壓力將會(huì)達(dá)到2000 tf（約2×107N），試壓時(shí)受壓側(cè)已加工完，與現(xiàn)場鋼管焊接的袖管的坡口會(huì)受到擠壓，產(chǎn)生變形甚至損壞，袖管存在卡在試壓機(jī)工裝中難以移出的可能性。為了解決此問題，在閥端工藝性設(shè)計(jì)及試壓工裝設(shè)計(jì)上做了改進(jìn)，解決了大、小規(guī)格全焊接球閥的批量試驗(yàn)問題。

3 試壓工裝設(shè)計(jì)

3.1 大規(guī)格球閥試壓工裝

管道球閥試壓采用徑向密封、螺桿式試壓機(jī)軸向試壓的方式，設(shè)計(jì)了專門的保護(hù)工裝試壓支撐管，并在閥端上設(shè)計(jì)工藝性承壓環(huán)，試壓支撐管固定在閥端承壓環(huán)和水壓機(jī)之間，使袖管坡口在試驗(yàn)過程中不與水壓機(jī)接觸，同時(shí)將在閥座密封性試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的單側(cè)巨大的推力，由袖管坡口轉(zhuǎn)移到了球閥閥體，避免了袖管坡口的損壞（圖1）。在試壓支撐管上設(shè)計(jì)校正孔，通過該孔調(diào)整支撐管和袖管的同軸度。在袖管內(nèi)表面加工密封面，配合密封圈實(shí)現(xiàn)袖管和內(nèi)密封環(huán)的密封，內(nèi)密封環(huán)固定在水壓機(jī)上。在工裝上預(yù)留觀察孔，可以判定球閥試驗(yàn)的密封效果是否滿足要求。密封圈的試壓密封方式可以簡便安裝并實(shí)現(xiàn)徑向密封，大大提高了整體試壓效率。

圖1 大規(guī)格球閥試壓工裝

3.2 小規(guī)格球閥試壓工裝

在帶袖管整體試壓的情況下，對于24英寸及以下規(guī)格的球閥，設(shè)計(jì)了一種可在袖管外表面直接形成密封的壓力試驗(yàn)管端連接及密封裝置，該試壓工裝簡化了袖管加工工序，大大提高了生產(chǎn)效率（圖2）。試壓工裝采用通用掛板和密封環(huán)組合式設(shè)計(jì)，在非工作狀態(tài)下，密封環(huán)與袖管外表面之間有一定的間隙。工作時(shí)，密封環(huán)受外周加壓后與袖管外表面緊密接觸實(shí)現(xiàn)密封，進(jìn)行水壓試驗(yàn)。能通過更換密封環(huán)來滿足不同規(guī)格閥門的測試工作，從而降低工裝制作成本，節(jié)約更換工裝的工時(shí)。設(shè)計(jì)袖管校正工裝，避免由于袖管橢圓度等偏差過大和密封面受高壓變形導(dǎo)致的閥門測試泄漏。

圖2 小規(guī)格球閥試壓工裝

4 結(jié)束語

使用本文所述試壓方案和大規(guī)格球閥試壓工裝，對某項(xiàng)目的近50臺48英寸900磅級全焊接球閥進(jìn)行了批量試壓，同時(shí)利用小規(guī)格球閥試壓工裝對所有項(xiàng)目24英寸CL900以下的球閥進(jìn)行試壓，試壓密封性好，且沒有發(fā)生袖管坡口損壞的情況，試壓結(jié)果全部合格。該試壓方案設(shè)計(jì)合理，試壓工裝操作方便、安全可靠，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了無損檢測、機(jī)加工、運(yùn)輸?shù)某杀荆岣吡斯ぷ餍剩〉蔑@著效果。為試壓工裝設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。