管线球阀的结构特征与功能设计

　　管线球阀作为紧急切断阀，除了将流体切断之外，还有很多其他的功能需求，这些功能性的需求经过几十年的发展和改进，已具备较为统一的结构形式，这些结构形式和功能性设计是：固定球浮动阀座；组合密封功能的阀座；阀座单活塞效应设计——自排放功能；阀座双活塞效应设计——双重密封功能；双截止-排放（DBB）功能；双隔离-排放（DIB）功能；腔体压力安全泄放；失火安全（fire-safe）；防静电；阀杆与密封座紧急状态下密封脂注射；驱动轴的安全设计与阀杆延伸；阀门的限位。

1、固定球浮动阀座结构

　　所有管线球阀都是固定球浮动阀座（图1）的设计，球体绕球体的几何中心做开关90°角回转，保持回转中心不变，两个各自独立的浮动阀座，保证阀门在两个流体方向压差作用下的密封（bi-direction），浮动阀座在弹簧加载下，即使在低的压差情况下，仍使阀门获得可靠的密封。

图1 同定球浮动阀座

2、组合密封功能的阀座

　　由于长输管线输送的原油和天然气不可能是洁净的，管道需要定期清管，而又要求在30年的服役期内确保密封的可靠性，这样就设计一个组合密封座来满足这一功能要求。其结构如图2所示。它是由金属阀座、塑料密封环、背弹簧、阀座与阀体之间的橡胶密封环以及注脂喷嘴及其密封脂注入通道组成的，这一功能被描述为：金属阀座与球面金属对金属的硬密封，防止固体颗粒落入次级软密封；塑料或橡胶的软密封，满足30年服役期密封可靠性要求；紧急情况下，例如软密封或球面出现划痕，通过注脂喷嘴注入密封脂，满足紧急状态下临时密封的需要。

图2 组合密封阀座结构

3、阀座单活塞效应设计——自排放功能

　　作为一种样本设计，阀座设计具有自泄放功能，并称之为“单活塞效应”（single piston effect）设计。这是一种截止型的阀座设计。对于这种情况，当进口端管道压力高于腔体压力时，作用在阀座上的介质作用力，其合力是将阀座推向球体，如图3所示：A-C>B-C。腔体压力高于出口端管道压力，作用在阀座上的介质力，其合力是将阀座推离球体，如图3所示：D-E>D-F。这一种功能性设计最终截止了上游端介质流动，而腔体压力大于出口端管线的压力时，并能克服下游端阀座的弹簧力，可自动泄放（self-relieving）至出口端管道，这一功能称之为腔体压力异常升高时的自泄放功能。

图3 腔体压力自泄放阀座

4、阀座双活塞效应设计——双重密封功能

　　如果客户需要，阀座可以被设计成双活塞效应（double piston effect），这种设计不管管线压力高于腔体压力，或者腔体压力高于管道压力，均使介质对阀座产生的力使阀座推向球体，如图4所示：A-C>B-C和D-E>D-F。即阀座不管两端压差如何，均能隔断阀门两端的介质流动，是一种隔离型阀座设计，对整个阀门而言，具有双重密封的效果，对于这一情况，当腔体压力升高时，阀体应具有外部压力泄放阀，防止其腔体超压。

图4 双活塞效应阀座

5、双截止排放（DBB）功能和双隔离排放（DIB）功能

　　双截止排放与双隔离排放的功能是指对于一个具有两个密封座的阀门，无论阀门处于开启状态或者关闭状态，腔体中充满压力，如底部的排污阀需要排放，进口端和出口端的阀座应该切断进口和出口的流体，以保证排放时的安全。如果设计的阀座是单向的，截止型阀座就是“双截止-排放”功能，英文名称为double brock and bleed，简称DBB功能。如果设计的阀座是隔离型阀座，即流体被隔离型阀座离隔，既不能从上下游流入腔体，也不能从腔体流向上下游，对于这一隔离型阀座的设计，这一功能称为“双隔离排放”（double isolating and bleed），简称DIB功能，如图5所示，这一功能是保证操作工人打开底部排污阀排放时操作的安全。

图5 DBB功能与DIB功能

6、腔体压力安全泄放

　　对于一个有两个密封座的阀门，腔体中可能有介质积聚，如果这种介质随温度升高而膨胀或相变，从而可能引起腔体压力升高，那么对于上下游阀座设计成隔离型阀座的，就是腔体压力不可能自身泄放至上下游管道的，应设置一个安全阀来泄放腔体内异常升高的压力，以保证压力边界的完整。如图6所示，安全泄放阀的泄放压力不超过最高工作温度其压力额定值的1.33倍。

图6 腔体压力安全泄放

7、失火安全

　　fire-safe一词的翻译为“失火安全”，并非“防火”。其意义是要求阀门在遇到火灾时是安全的。安全是指其内，外泄漏量不超过API 607所规定允许值，在结构上为保证这一安全，在四个泄漏点上就有失火安全的设计。阀座的锥面与球面之间，一旦软密封被烧毁应使锥面和球面金属对金属接触；阀座与阀体之间，除橡胶O形圈软密封之外，应有一个石墨密封圈；主副阀体之间，除橡胶O形圈之外，应设置一个金属缠绕式垫片或者石墨垫；轴的填料处，应设置一个石墨密封环，这就是管线球阀的失火安全结构。

8、防静电结构设计

　　防静电结构是指具有两个非金属材料制造的密封座的球阀，球体转动可能产生静电的集聚，应及时与阀体导通。其方法是在轴的头部有一小孔，内置一个弹簧和钢球，使其与球体相接触，在轴杆的径向部位也有一小孔，内置一个弹簧和钢球，使其与填料函内壁相接触，这样球体上可能产生的静电导入阀体，而阀是接地的，如图7所示。

图7 防静电结构

9、阀杆的密封

　　阀体与球是分离的，球轴上作用着介质的推力，在轴肩处置一个平面轴承，由于介质作用在球上的力已被分离，作用在支承板上，轴只承受单一的转矩，轴上无侧向力的作用，提高轴颈处密封的可靠性，采用二级O形圈和石墨环密封结构（图8）。

图8 轴的密封

10、紧急情况下阀杆与阀座密封脂的注入

　　当发现阀杆填料泄漏时，在填料箱侧面设置一个密封脂的注入接头，供密封脂注入来消除阀杆处的泄漏，结构如图9所示。

图9 紧急情况下阀杆与阀座密封脂的注入

11、传动链的安全与开关位置限位

　　按照API 6D规定，传动链设计强度应按设计转矩或者实际测定同规格阀门转矩的2倍。而且传动链最取薄弱的截面应在阀门的压力边界外面，阀门的开与关的位置应精确地限定。对于直埋地下的阀门，阀杆应被接长。图10所示是Velan公司的传动链——加长阀杆的设计，阀门的开关位置通过阀杆的键在外部连接板90°弧形凹槽中限定（图11）。

图10 阀杆延伸

图11 阀杆限位

12、直埋地下

　　对于直埋地下的阀门（图12）除了阀杆被伸长到地表之外，所有的接管：注脂管、排污管、腔体压力泄放并引至地表，注脂阀、排污阀、压力泄放阀亦置于地表，并在阀前增加一只隔离阀。

图12 直埋地下的阀门

13、硫化工况设计

　　对于硫化工况，可能产生应力腐蚀，特别是对于湿的硫化氢，这种材料的选用与制造满足NACE MR0175标准的要求，工艺与介质接触的零件，做材料硬度试验，符合标准要求。如果需要，供方应提供硫化物应力腐蚀SSC和氢致开裂HIC腐蚀试验报告。