全焊接管線球閥的設(shè)計與研發(fā)
摘 要：主要講述了管線工業(yè)發(fā)展需要，全面論述 56"-CL900 超大口徑全焊接管線球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求分析、制造能力、焊接工藝優(yōu)化、檢測及試驗引用標準與服務等，采用數(shù)值仿真技術(shù)對工況進行模擬。
一、 概述
長輸管線（長距離輸送管道）上使用的閥門被稱為管線閥門。管線閥門（球閥、閘閥、止回閥和旋塞閥等）是一種滿足管道運輸?shù)奶厥庖蟛⒕邆涮厥夤δ艿拈y門，這種球閥全通徑、低流阻，作為長輸管線用閥已得到快速的發(fā)展。西氣東輸一線、二線工程干線已建成投產(chǎn)，西三線正在加速建設(shè)，西四線已經(jīng)開始設(shè)計規(guī)劃，閥門大通徑尺寸為 NPS 56"，壓力等級為 Class900。
二、球閥的性能設(shè)計要求
根據(jù)標準及相關(guān)采購技術(shù)規(guī)格要求超大口徑全焊接球閥的設(shè)計、制造、材料、測試、檢驗、運輸和驗收等方面提出了低的技術(shù)要求。而閥門實際使用的環(huán)境惡劣，影響閥門性能的因素很多，對閥門長期使用的密封要求為零泄漏，應超標準要求下進行閥門的設(shè)計及試驗。
1. 設(shè)計方法
球閥如采用 ASME Ⅷ（部分）規(guī)則方法、實驗方法進行設(shè)計，需提供有資質(zhì)的第三方的設(shè)計認證報告；如采用 ASME Ⅷ（第二部分）有限元方法設(shè)計，需提交有限元計算報告。
2. 強度和韌性
閥門除了承受內(nèi)部介質(zhì)壓力之外，還需承受地質(zhì)災害的滑坡、地面沉降、洪水而引起的外部載荷，各種環(huán)境溫度變化引起的軸向拉力和壓力，寒帶及冰凍地區(qū)需考慮材料低溫沖擊韌性，防止低溫脆性斷裂。
3. 性能要求
球閥應能滿足連續(xù)運行 30 年以上，且相關(guān)性能可長期滿足工況要求。
4. 焊接要求
所有的焊縫均應按照 ASME 第 IX 卷要求進行焊接工藝評定，并增加硬度試驗、金相、腐蝕試驗(SSC、HIC)、主焊縫應進行-46℃焊后免熱處理的 CTOD安全評估。
閥體主焊縫應采用射線+磁粉或多通道超聲波+磁粉探傷方式，角焊縫采用磁粉探傷，袖管與閥體焊縫采用射線探傷，焊縫坡口表面均應進行滲透探傷，探傷比例均為 。檢測標準執(zhí)行 ASME 第 V 卷要求，并提交相應的檢測報告，以驗證焊縫質(zhì)量合格。
5. 密封要求
下游端管線的有效截斷，應考慮介質(zhì)中金屬顆粒對密封性的影響，當密封失效時采取緊急密封措施，閥門長期處于零級密封。
6. 防失火安全和防靜電功能
球閥均應設(shè)計為防火安全型，考慮一旦失火，閥門的外漏和內(nèi)漏要求滿足API 6FA/API 607 的泄漏標準。
應根據(jù) ISO 17292 做防靜電設(shè)計，球體被非金屬材料夾持時可能產(chǎn)生的靜電導出體外，在 24V DC 下，電阻值<10 歐姆。
7. DBB 功能
球閥應為雙截斷-泄放(DBB)功能，在閥腔排泄時，上游端閥座和下游端閥座應同時自動切斷，以確保排放時的安全。
8. DIB-1 雙隔斷和泄放
根據(jù)介質(zhì)特點要求，閥座的設(shè)計除滿足 DBB 功能外，還應為雙隔斷和泄放閥座（DIB-1 雙向雙密封閥座)，每一側(cè)都能承受全壓差。
9. 閥腔壓力自動泄放
無論閥門處于開啟或關(guān)閉位置，均應防止介質(zhì)在閥腔中被夾持，如果介質(zhì)可能夾持，則對于氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)均要確保自動泄放閥腔內(nèi)的壓力，閥腔壓力泄放的大值不超過閥壓力額定值的 1.33 倍。
10. 排泄
閥腔應有排泄功能，以便介質(zhì)排放。并可通過排泄孔對閥門進行在線密封檢測。
11.位置指示
無論手動或動力驅(qū)動，閥門的開度指示除執(zhí)行機構(gòu)有明顯的開度指示外，閥桿部位還應設(shè)計有閥門處于開啟位置或關(guān)閉位置的機械限位及指示標識。
12.傳動鏈
傳動鏈的設(shè)計扭矩至少應為球閥大扭矩的 2 倍。
13.硫化工況
承壓部件及螺栓材料應具有抗應力裂化的能力，符合 NACE,MR 0175 要求。
14.緊急切斷功能
長距離管道輸送系統(tǒng)采用衛(wèi)星監(jiān)控系統(tǒng)，當管線壓降速率或持續(xù)時間達到某一設(shè)定值，閥門應緊急切斷。
15.考慮地下水的電位腐蝕和應力腐蝕
采用全焊閥體結(jié)構(gòu)，管道陰極接地和外表面防腐，來防止電位腐蝕和應力腐蝕。
16.埋地加長桿
應考慮到埋地式球閥運輸、安裝和操作過程中加長桿外套可能承受的彎曲/扭曲/剪切等應力，并采取相應的措施保護延長桿。對操作機構(gòu)和閥桿加長組件應有保護措施以防止由于閥桿或壓蓋的泄漏而造成機構(gòu)內(nèi)部蓄壓。
三、標準引用
球閥應滿足或規(guī)范和標準的新版本的要求。如果幾種規(guī)范和標準的相關(guān)要求適用于同一情況，則應遵循相關(guān)要求為嚴格的條款。
API 6D 管線閥門
API 6FA 閥門耐火試驗規(guī)范
API 607 轉(zhuǎn) 1/4 周軟閥座閥門的耐火試驗
ASME B1.20.1 管螺紋
ASME B16.25 對焊接頭
ASME B16.34 法蘭、螺紋和焊接端球閥
ASME B31.8 輸氣及配氣管線系統(tǒng)
ASME 第Ⅴ卷 無損檢驗
ASME 第Ⅷ卷 壓力容器建造規(guī)則
ASME 第Ⅸ卷 焊接和釬焊評定
SSPC SP10 金屬表面處理
ISO 5208 工業(yè)用閥門—閥門的壓力試驗
ISO 17292 石油、石油化工和相關(guān)工業(yè)用金屬球閥
NACE MR0175 防硫化氫應力裂紋的油田設(shè)備金屬材料
四、設(shè)計制造
1. 閥體結(jié)構(gòu)
全焊接閥體設(shè)計有筒狀結(jié)構(gòu)和球狀結(jié)構(gòu)，筒狀結(jié)構(gòu)是雙焊縫，焊接過程熱量輸入大，殘余應力復雜，軸向和徑向變形大。閥體重量重，運輸困難，成本高，市場竟爭沒有優(yōu)勢。
球狀結(jié)構(gòu)一般采用是四條焊縫或一條焊縫焊接而成，為上下閥桿支撐結(jié)構(gòu)或樞軸支撐式結(jié)構(gòu)兩種。由于熱鍛壓工藝技術(shù)的進步，閥體可采用兩個球狀組合焊接而成，即閥體中間單焊縫焊接，焊接輸入線能量小，降低了軸向和徑向變形。閥體重量輕（比筒狀結(jié)構(gòu)輕 1/3），起吊方便，成本低，市場竟爭有明顯優(yōu)勢。
筒狀結(jié)構(gòu) 球狀結(jié)構(gòu)

2. 球體與支撐
球體為實心球，球體的加工采用鏡面磨削專機加工，球體的圓度、同軸度、同心度的設(shè)計要求，控 制 圓 度 小 于 0.02mm，粗 糙 度 Ra0.2～0.10μm。檢 測 采 用 設(shè)備自帶雷尼紹電子探頭（測量精度為 0.001mm）對球體一次性檢查完成，有效了檢測數(shù)據(jù)與三維坐標儀測量結(jié)果的一致性。
球體支撐有兩種方式：一種是上/下閥桿支撐式，即設(shè)計是球體車削成內(nèi)孔，上下由二個支承軸支承在閥體上，支承軸承長度 L 與軸 d 之比一般考慮L/d=1.2~2；另一種是樞軸式支撐，即是在球體上車削成上/下軸頸，并用二個上/下支撐板支承，由于結(jié)構(gòu)的限制，支承軸長度 L 與軸頸 d 之比一般考慮L/d=0.4~0.8 為宜。這兩種結(jié)構(gòu)，前者的上支承軸，同時又是傳動扭矩的閥桿，所以是處于復合的受力狀態(tài)，支承軸（閥桿）的設(shè)計要求較高；后者結(jié)構(gòu)軸頸粗而短，所以球閥的阻力矩較大。
滑動軸的比壓進行計算，其許用比壓不能超過供貨商提供的滑動軸套許用比壓。軸承可采用不銹作為基體，內(nèi)襯 PTFE 塑料，這種軸承套承載比壓可達 200～400Mpa，許用比壓值為 100～200Mpa，且摩擦系數(shù)低，可降低球閥的操作扭矩。
3. 閥座密封
閥座采用組合密封結(jié)構(gòu)，即金屬對金屬的初始主密封，以阻擋固體顆粒的進入；采用橡膠、PTFE、NYLON、PEEK 等非金屬材料作為次級密封，以“零”級泄漏。
密封用的橡膠圈有圓形，三角形或其他特殊形狀，每個公司都有自己的設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝措施，主要是應考慮球體在開關(guān)過程中橡膠密封圈不被吹出或切壞。按壓力級情況，還應考慮密封圈密封的支撐問題，防止金屬與金屬接觸，啟閉卡阻現(xiàn)象。對于 Class900 以上的工況，應選用防爆降壓(AED)特性的材料作密封圈材料。
PTFE、NYLON、PEEK 的密封圈，一般采用筒狀鑲嵌式結(jié)構(gòu)，應考慮做成倒鉤狀組合式結(jié)構(gòu)，密封圈不被吹出而導致密封失效。
4. 閥座功能結(jié)構(gòu)
閥座設(shè)計應實現(xiàn)閥門處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)時，上游端閥座和下游端閥座同時自動切斷來自兩端的介質(zhì)（DBB 功能），進行閥座密封性能測試，而不影響管線運行。
閥座應為雙隔斷和泄放閥座（DIB-1 雙向雙密封閥座)，每一側(cè)都能承受全壓差每一側(cè)都能承受 15MPa（Clsss900）的全壓差，閥腔設(shè)置外部泄放閥，泄放壓力不超過閥壓力額定值的 1.33 倍。
5. 緊急密封注入
閥座和閥桿應有密封脂注入口，緊急密封系統(tǒng)由注脂閥和止回閥組成，分別安裝在閥體上閥座處的外測和閥桿填料處外側(cè)，可以在線更換注脂閥。并且要確保注脂通道的暢通，每種結(jié)構(gòu)都應進行密封脂注入試驗。
緊急密封系統(tǒng)可以用來阻止或減少管線中閥門密封座的泄漏，密封劑注射前要進行清潔和沖洗，有生產(chǎn)的清潔劑和密封脂，用手動或電動的工具將清洗劑或密封脂從注射器口注入，并按供貨商所提供的使用說明進行清潔和緊急密封操作。
6. 閥桿防吹出
閥桿要求采用防飛出設(shè)計。閥門應裝配可以供操作人員方便觀察閥球開關(guān)位置的裝置，以安裝執(zhí)行機構(gòu)或執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)故障時，對閥位重新定位。
7. 端部設(shè)計
閥門與管道采用焊接連接，接管材料為 API 5L X80，接管尺寸為 OD1422mm，壁厚為 30.8mm，袖管長度不小于 400mm。球閥與袖管的連接端應材質(zhì)強度的適配性和可焊性，閥體過渡段與袖管之間的小屈服強度應≥70%小屈服強度，并在高使用溫度下其許用工作壓力不低于管道設(shè)計壓力。
8. 放空及排放
球閥應具有排污和放空功能。
地上安裝的閥門本體排污管線應引出至閥門本體外。放空管、排污管與閥體應采用焊接連接。放空和排污管線均應安裝雙閥，靠近閥體的閥門為焊接連接的球閥，末端應設(shè)置螺紋連接的放空閥或排污閥。
埋地安裝的閥門配置加長桿，以便地上操作。在球閥底部應安裝排污管并引至地面以上以便將閥體內(nèi)的雜質(zhì)排出；閥體頂部安裝放空管并引至地面以上以便對閥腔進行放空和清洗。引至地面上的放空和排污管線上應各安裝兩個隔離閥，其中根部閥門應采用全焊接金屬硬密封結(jié)構(gòu)，為防火安全型閥門，閥體排污/放空延長管上的所有連接應為焊接連接。
設(shè)計應考慮安全泄放閥在線更換與定期校核要求。
9. 數(shù)值仿真有限元分析
球閥的設(shè)計嚴格執(zhí)行 API 6D 標準的規(guī)定，承壓件及控壓件的設(shè)計計算嚴格按 ASME B16.34 和 ASME Ⅷ 第二部分有限元方法設(shè)計。分析閥體、球體、閥 桿 、支 撐 板 等 在 大工作載荷條件下的結(jié)構(gòu)完整性、靜態(tài)位移分布、安全系數(shù)分布的應力情況。并且對閥體+過渡段+袖管+工藝管道的焊接組件強度進行殊工況模擬分析，分析項目如下：
? 內(nèi)壓＋彎曲測試分析
? 內(nèi)壓＋擠壓測試分析
? 內(nèi)壓＋拉伸測試分析
五、材料選用
1. 閥體、球體、閥座為 A350 LF2 材料，過渡段材料為 ASTM A350 LF6Class2。為閥體/過渡段與袖管之間的可焊性，與袖管連接處過渡段的材料的屈服強度不低于 415MPa，與過渡段連接處的閥體材料的屈服強度不低于320MPa。
2. 閥體采用模鑄鋼錠鍛造成型，閥體、球體和閥座應采用 III 級鍛鋼，墩粗鍛造比不小于 3，拔長鍛造比為 3～6，實際晶粒度不小于 6 級，非金屬夾雜物不大于 2 級。
3. 球體、閥座組件、閥桿及相關(guān)內(nèi)件表面應化學鍍鎳， 涂層厚度不小于 75μm，涂層硬度為 HV650-800。
4. 閥桿的材料應為 AISI 4140。
5. 閥座預緊彈簧應采用 INCONEL X-750 材料。
6. 閥體、閥桿力學性能及化學成分分析應本體取樣，取樣方法按 A370要求執(zhí)行。
7. 材料應進行抗硫化氫性能處理，符合 NACE MR 01-75 技術(shù)規(guī)范要求。
六、試驗與檢驗
1. 球閥的檢驗與測試均應遵循 API 6D 的要求。檢驗和測試應在球閥表面處理和噴漆前進行。閥座試壓前應開關(guān)球閥 2～3 次，試驗壓力和試驗時間應遵照 API 6D 規(guī)范要求。密封性能試驗閥門泄漏量不得超過 ISO 5208 A級(無可見泄漏)。
2. 球閥出廠之前應進行檢驗和試驗，至少應包括以下內(nèi)容：
1) 閥門外觀檢查
2) 焊縫的無損探傷檢查
3) 閥體水壓試驗
4) 全壓差下開啟試驗，試驗次數(shù)為開啟 75 次
5) 閥座水壓密封試驗
6) 雙隔斷和泄放閥 DIB-1(雙向雙密封)試驗
7) 雙截斷-泄放功能（DBB）試驗
8) 低壓氣密封試驗
9) 高壓氣密封試驗
10)抗靜電性能測試
11)注脂試驗
3. 對配有執(zhí)行機構(gòu)的球閥應將球閥與執(zhí)行機構(gòu)在工廠內(nèi)組裝后進行測試，確保球閥門在數(shù)據(jù)單規(guī)定下的大壓差條件下、動力電源 10％波動范圍內(nèi)，具有良好的開、關(guān)性能。
4. 配有執(zhí)行機構(gòu)的球閥裝配后應在 0 到 的額定行程中進行全開、全關(guān)操作的檢查和扭矩測試。
5. 球閥和執(zhí)行機構(gòu)在工廠調(diào)試后應做性定位標志，確?，F(xiàn)場組裝時不發(fā)生開關(guān)位置的變化。
6. 閥門本體試壓按照 API6D 的要求，焊接袖管后閥門整體按 12MPa 的1.5 倍試壓 4 個小時。
七、防腐處理
1. 埋地閥門外防腐層結(jié)構(gòu)及性能應適應石油天然氣長輸管道防腐技術(shù)要求，閥體噴涂外防腐層前應進行酸洗和拋丸等處理，確保防腐涂層的附著力。防腐層結(jié)構(gòu)為：無溶劑液態(tài)環(huán)氧+玻璃布+無溶劑液態(tài)環(huán)氧+玻璃布+無溶劑液態(tài)環(huán)氧結(jié)構(gòu)，其總厚度不小于 1.5mm。
2. 地上閥門防腐層結(jié)構(gòu)采用無溶劑液態(tài)環(huán)氧+氟碳面漆結(jié)構(gòu)，其總厚度不小于 370μm。試制方也可以采用試用方認可的其它等效防腐性能的外涂層結(jié)構(gòu)。試制方應提供所用防腐涂料的性能測試報告。

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