上海申弘閥門有限公司
1、前言
為了滿足我國對(duì)石油、天然氣需求的持續(xù)增長(zhǎng)，在未來一段時(shí)間里，每年將興建幾千公里的大型長(zhǎng)輸管線，包括增壓站、分輸站、大型儲(chǔ)備庫等油氣儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目。由于石油、天然氣易燃易爆的特殊性，對(duì)大型油氣儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目工程的質(zhì)量要求十分嚴(yán)格，對(duì)用于這些項(xiàng)目的管線球閥提出除了滿足API6D規(guī)范要求外，還要求閥門制造商提供第三方的防火認(rèn)證，確保閥門的結(jié)構(gòu)是安全防火型的。目前，我國閥門制造商取得的防火證，大多是國外認(rèn)證公司(如Lloyds'，TUV，ABS等)頒發(fā)，也有一部分是認(rèn)證公司下設(shè)的檢驗(yàn)公司頒發(fā)。部分閥門制造商將準(zhǔn)備好的被試樣品送至認(rèn)證公司火燒試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行火燒試驗(yàn)，產(chǎn)品的泄漏量達(dá)到API6FA或API607標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，就頒發(fā)防火證書，被試樣品的結(jié)構(gòu)與提供發(fā)證備案的總裝圖是否一致沒有明確規(guī)定，被試樣品的來源沒有明確的確認(rèn)，火燒試驗(yàn)臺(tái)是否具有供第三方認(rèn)證試驗(yàn)所具備的資質(zhì)條件含糊其辭。這樣有些制造商雖取得了防火證，但實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品是否是真正安全防火型，難以另人信服。項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位、業(yè)主工程技術(shù)部門對(duì)國內(nèi)一些球閥制造商生產(chǎn)的管線球閥能否安全防火常有質(zhì)疑。
管線球閥是固定球結(jié)構(gòu)形式，上游端密封為主密封，具有DBB功能，在密封完好的情況下，閥門在全開或全關(guān)狀態(tài)下，可以通過中腔排污口或放空口來觀察上游閥座是否存在泄漏。管線球閥在正常使用下，中腔不帶壓。在火災(zāi)事故時(shí)，設(shè)計(jì)合理的閥座防火結(jié)構(gòu)，能夠減緩上游壓力介質(zhì)進(jìn)入中腔的進(jìn)度，避免因中腔升壓而引起介質(zhì)外漏和內(nèi)漏。具有良好的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的閥座，是保證管線球閥具有安全防火性能的主動(dòng)措施。管線球閥的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，閥座防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，閥座的防火性能良好，在火災(zāi)事故狀態(tài)下，可減輕閥桿防火結(jié)構(gòu)、閥體與左右體之間防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓力。本文重點(diǎn)分析管線球閥在火災(zāi)時(shí)發(fā)生泄漏的原因，對(duì)閥門的防火結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。球閥主要用于接通或阻斷管路介質(zhì)，尤以用在要求迅速開閉的部位更佳，如應(yīng)急卸荷等處。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，重量輕，密封性能好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用日趨廣泛。結(jié)構(gòu)：主要由閥體、閥蓋、密封閥座、球體和閥桿等組成。帶孔的球體是球閥的問芯，球體受閥桿的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制啟閉，旋轉(zhuǎn)即是全程的開關(guān)。球閥可分為浮動(dòng)球閥和固定球閥兩大類。浮動(dòng)球閥的特點(diǎn)是球體可以自由浮動(dòng)。根據(jù)密封座結(jié)構(gòu)不同又分為固定密封座和帶活動(dòng)密封座兩種。固定密封閥座的浮動(dòng)球閥，結(jié)構(gòu)如圖所示，在閥體內(nèi)裝有兩個(gè)氟塑制成的固定密封閥座，在兩間座之間夾緊一個(gè)由碳鋼或不銹鋼制成的浮動(dòng)球，球體上有圓形通孔，開后時(shí)，通道打開；當(dāng)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，球孔垂直于閥門的通道，靠介質(zhì)的壓力將球體緊壓在后面的閥座上，保證閥門的密封。
球閥的主要選用原則
1、石油、天然氣的輸送主管線、需要清掃管線的，又需埋設(shè)在地下的，選用全通徑、全焊接結(jié)構(gòu)的球閥；埋設(shè)在地上的，選擇全通徑焊接連接或法蘭連接的球閥；支管，選用法蘭連接、焊接連接，全通徑或縮徑的球閥。
2、成品油的輸送管線和貯存設(shè)備，選用法蘭連接的球閥。
3、城市煤氣和天然氣的管路上，選用法蘭連接和內(nèi)螺紋連接的浮動(dòng)球閥。
4、冶金系統(tǒng)中的氧氣管路系統(tǒng)中，宜選用經(jīng)過嚴(yán)格脫脂處理，法蘭連接的固定球球閥。
5、低溫介質(zhì)的管路系統(tǒng)和裝置上，宜選用加上閥蓋的低溫球閥。
6、煉油裝置的催化裂化裝置的管路系統(tǒng)上，可選用升降桿式球閥。
7、化工系統(tǒng)的酸堿等腐蝕性介質(zhì)的裝置和管路系統(tǒng)中，宜選用奧氏體不銹鋼制造的、聚四氟乙烯為閥座密封圈的全不銹鋼球閥。
8、冶金系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、石化裝置、城市供熱系統(tǒng)中的高溫介質(zhì)的管路系統(tǒng)或裝置上，可選用金屬對(duì)金屬密封球閥。
9、需要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)，可選用蝸輪蝸桿傳動(dòng)的、氣動(dòng)或電動(dòng)的帶V形開口的調(diào)節(jié)球閥。
球閥的優(yōu)點(diǎn)
1、具有低的流阻（實(shí)際上為零）。
2、因在工作時(shí)不會(huì)卡住（在無潤滑劑時(shí)），故能可靠地應(yīng)用與腐蝕性介質(zhì)和低沸點(diǎn)液體中。
3、在較大地壓力和溫度范圍內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)*密封。
4、可實(shí)現(xiàn)快速啟閉，某些結(jié)構(gòu)的啟閉時(shí)間僅為0.05～0.1s，以保證能用于試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化系統(tǒng)中?？焖賳㈤]閥門時(shí)，操作無沖擊。
5、球型關(guān)閉件能在位置上自動(dòng)定位。
6、工作介質(zhì)在雙面上密封可靠。
7、在全開和全閉時(shí)，球體和閥座的密封面與介質(zhì)隔離，因此高速通過閥門的介質(zhì)不會(huì)引起密封面的侵蝕。
8、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，可以認(rèn)為它時(shí)用于低溫介質(zhì)系統(tǒng)的合理的閥門結(jié)構(gòu)。
9、閥體對(duì)稱，尤其是焊接閥體結(jié)構(gòu)，能很好地承受來自管道的應(yīng)力。
10、關(guān)閉件能承受關(guān)閉時(shí)的高壓差。
11、全焊接閥體的球閥，可以直埋于地下，使閥門內(nèi)件不受侵蝕，高使用壽命可達(dá)30年，是石油、天然氣管線的閥門。
由于球閥有上述優(yōu)點(diǎn)，所以適用范圍很廣，球閥可適用于：
1、公稱通徑從8mm到1200mm。
2、公稱壓力從真空到42MPa。
3、工作溫度從-204度~815度。
密封優(yōu)點(diǎn)
球閥主要的閥座密封圈材料就是聚四氟乙烯（PTFE），它對(duì)幾乎所有的化學(xué)物質(zhì)都是惰性的，且具有摩擦系數(shù)小、性能穩(wěn)定、不易老化、溫度適用范圍廣和密封性能優(yōu)良的綜合性特點(diǎn)。但聚四氟乙烯的物理特性，包括較高的膨脹系數(shù)，對(duì)冷流的敏感性和不良的熱傳導(dǎo)性，要求閥座密封的設(shè)計(jì)必須圍繞這些特性進(jìn)行。閥座密封的塑性材料也包括填充聚四氟乙烯、尼龍和其他許多材料。但是，當(dāng)密封材料變硬時(shí)，密封的可靠性就要受到破壞，特別是在低壓差的情況下。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。此外，像丁青橡膠這樣的合成橡膠也可用作閥座密封材料，但它所適用的介質(zhì)和使用的溫度范圍藥受到限制。另外，如果介質(zhì)不潤滑，使用合成橡膠容易卡住球體。為了滿足高溫、高壓、強(qiáng)沖蝕、長(zhǎng)壽命等工業(yè)應(yīng)用的使用要求，近十幾年來，金屬密封球閥得到了很大的發(fā)展。尤其在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，如美國、意大利、德國、戲班也、荷蘭等，對(duì)球閥的結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，出現(xiàn)全焊接閥體直埋式球閥、升降式球閥、使球閥在長(zhǎng)輸管線、煉油裝置等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，出現(xiàn)了大口徑（3050mm）、高壓力（70MPa）、寬溫度范圍（－196～815度）的球閥，從而使球閥的技術(shù)達(dá)到一個(gè)全新的水平。
2、閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的
閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的為：
(1)有效保證在火災(zāi)事故時(shí)，上游壓力介質(zhì)盡可能少的通過閥座流入閥體中腔，從而引起內(nèi)漏和外漏。保證在消防隊(duì)員到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)之前，不因閥門使火災(zāi)事故擴(kuò)大;在消防隊(duì)員到現(xiàn)場(chǎng)后，利用消防設(shè)備能夠快速壓住火勢(shì)，消除火災(zāi)事故。
(2)真正使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)符合API6D規(guī)范的要求。使產(chǎn)品能通過火燒試驗(yàn)，取得防火證書。
3、閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在金屬閥座圈與閥體間設(shè)置石墨防火密封環(huán)；在金屬閥座圈與球體間設(shè)置防火金屬密封。結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖1 橡膠密封閥座結(jié)構(gòu)
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖2 塑料密封閥座結(jié)構(gòu)
火災(zāi)后，所有橡膠件和塑料件的密封將失效，失火后的密封功能由石墨防火密封環(huán)和球座防火金屬密封實(shí)現(xiàn)?；馂?zāi)前和火災(zāi)后的密封對(duì)照如圖3、4所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(a)正常密封狀態(tài)
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(b)火災(zāi)后密封狀態(tài)
圖3 橡膠密封閥火災(zāi)發(fā)生前后密封對(duì)比
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(a)正常密封狀態(tài)
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(b)火災(zāi)后閥座密封狀態(tài)
圖4 塑料密封封火災(zāi)前后閥座密封對(duì)比
4、閥座火災(zāi)后泄漏原因分析
球閥閥座在正常情況下密封應(yīng)無泄漏。在火災(zāi)情況下，無論是橡膠密封閥座，還是塑料密封閥座所有橡膠件和塑料件密封性能失效，閥座將發(fā)生泄漏，此時(shí)，閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，直接影響閥門的防火性能。閥座泄漏途徑越少，泄漏量越少，閥門的防火性能越好。閥座泄漏途徑一般有3種情況：
(1)泄漏途徑1
閥座密封圈失效后，介質(zhì)通過閥座與球體之間的通道發(fā)生泄漏，如圖5所示。(2)泄漏途徑2
活塞效應(yīng)密封圈失效后，介質(zhì)通過閥座注脂孔，在閥座與閥體之間的通道發(fā)生泄漏，如圖6所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(a)橡膠密封閥座
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(b)塑料密封閥座
圖6 活塞效應(yīng)密封圈失效后泄漏示意
(3)泄露途徑3
活塞效應(yīng)密封圈和擋脂密封圈失效后，介質(zhì)直接通過閥座與閥體之間的通道發(fā)生泄漏，如圖7所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(a)橡膠密封閥座
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(b)塑料密封閥座
圖7 活塞效應(yīng)密封圈和擋脂密封圈失效后泄漏示意
由以上分析可看出，閥座泄漏主要存在于閥座與閥體、閥座與球體之間，如何減少閥座泄漏途徑，成為閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是：在火災(zāi)后，閥座的泄漏途徑越少，閥門的防火功能越好，防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越合理;設(shè)計(jì)時(shí)在泄漏通道處分別設(shè)置石墨防火密封環(huán)和防火金屬密封的同時(shí)，石墨防火密封環(huán)的設(shè)置位置也至關(guān)重要。
設(shè)計(jì)不合理的防火石墨圈，仍不能有效改善閥門的防火功能，如圖8所示，石墨防火密封圈設(shè)置在閥座的尾部。雖然設(shè)置了石墨防火密封圈，但在活塞效應(yīng)密封圈和閥座密封圈失效后，介質(zhì)仍可以通過閥座注脂孔在閥座與閥體之間通道發(fā)生泄漏，如圖6所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖8 設(shè)計(jì)不合理的閥座防火結(jié)構(gòu)示意
5、典型閥座防火結(jié)構(gòu)
目前國外專業(yè)管線球閥公司生產(chǎn)的球閥常見典型閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9～12所示，各閥座結(jié)構(gòu)防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均較為合理，能夠保證閥座活塞效應(yīng)密封圈和閥座密封圈失效后，閥座泄漏途徑少。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖9 橡膠密封閥座1
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖10 橡膠密封閥座2
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖11 橡膠與塑料組合密封閥座
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖12 塑料密封閥座
國內(nèi)球閥公司由于各廠球閥的技術(shù)水平、制造水平及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的差異，閥座的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平參差不齊，有的公司閥座無防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，專業(yè)的球閥制造廠閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與國外公司基本上無差別。
6、結(jié)語
合理的閥座防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以保證上游壓力介質(zhì)通過閥座泄漏的途徑少，防火性能。在管線球閥的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注閥座的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合理的閥座防火結(jié)構(gòu)是管線球閥在實(shí)際工程中具有安全防火的根本保證，考核防火結(jié)構(gòu)的合理性應(yīng)嚴(yán)格按照API6FA/API607的規(guī)范進(jìn)行火燒試驗(yàn)，考核的樣品不應(yīng)是制造商的送樣，應(yīng)是驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的隨機(jī)抽樣，這樣才能保證第三方認(rèn)證的合理性和公證性。 與本文相關(guān)的論文有：五陽煤礦應(yīng)用閥門案例
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