一、 前言

　　1914年，排在頭一位的條9公里長(zhǎng)的輸油管線在美國(guó)中部建成，從此拉開管道工業(yè)發(fā)展的序幕。用管線來輸送液體或氣體，其成本是鐵路運(yùn)輸?shù)?/3，海上運(yùn)輸?shù)?/3，所以近一百年來獲得了迅速的發(fā)展。長(zhǎng)距離輸送管道稱之謂長(zhǎng)輸管線，長(zhǎng)輸管線上使用的閥門稱之謂管線閥門，有球閥、閘閥、止回閥、旋塞閥，是一種滿足管道運(yùn)輸?shù)奶厥庖螅邆涮厥夤δ艿膶Ｓ瞄y門。對(duì)于球閥則稱之謂管線球閥。規(guī)范管線球閥的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)石油協(xié)會(huì)頒發(fā)的API規(guī)范6D《石油天然氣工業(yè)－管道輸送－管線閥門》，較新版本2000年1月頒布的第22版，以及1999年頒發(fā)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO14313-1999。

　　實(shí)際上管道工業(yè)的迅速發(fā)展是二十世紀(jì)五十年代的事，根據(jù)《Pipeline》雜志2000年統(tǒng)計(jì)，全世界已建成管線260萬公里，其中輸油管線80萬公里，輸氣管線140萬公里，其他石油化工產(chǎn)品輸送管線40萬公里。輸油輸氣管線是一條能源供應(yīng)線，是一條生命線，已遍布全球，并且每年仍以3萬公里的速度遞增。管線閥門的較高壓力級(jí)PN42.0Mpa（Class2500），閥門較大通徑60英寸（DN1500）。

　　世界上著名的長(zhǎng)輸管線如美國(guó)阿拉斯加到大西洋東海岸長(zhǎng)島的原油輸送管線，穿過北極圈凍土層和美國(guó)五大湖的沼澤地；俄羅斯橫貫西伯利亞的輸油管線；地中海地區(qū)從阿爾及利亞經(jīng)摩洛哥至西班牙的輸氣管線，全長(zhǎng)2000公里，穿過沙漠，阿特拉斯山脈和直布羅陀海峽；在東南亞從菲律賓經(jīng)馬來西亞、爪哇、蘇門答臘，至泰國(guó)全長(zhǎng)6276公里輸氣管線，其中1094公里海底輸氣管線，等等。

　　球閥的結(jié)構(gòu)可追溯到1904年，已有人申請(qǐng)了結(jié)構(gòu)專利，但一直未獲得商品化，它的發(fā)展也是20世紀(jì)50年代的事，這是由于1943年美國(guó)杜邦公司聚四氟乙烯塑料的發(fā)明，這種材料具有一定的彈性，自潤(rùn)滑性，優(yōu)良的耐腐蝕性，十分適宜于作為閥門的密封材料。以及車球機(jī)、磨球機(jī)的進(jìn)步。由于這種閥門是全通徑、低流阻，十分適宜作為長(zhǎng)輸管線用閥，所以管線球閥已逐步取代管線閘閥、旋塞閥，是一種近50年來發(fā)展較快的一個(gè)閥門新品種。

　二、 管線輸送對(duì)管線球閥的嚴(yán)格要求

　　長(zhǎng)輸管線是全球性的，是一條能源供給線，從北極圈到赤道，從高山到海底，從高原到沙漠，其間穿過地震帶、沼澤地、凍土層、江河、湖泊、山坡。有架設(shè)的，有直埋地下，在野外操作，維修困難，要求30年使用壽命。一般輸送原油、天然氣，雖經(jīng)處理但含硫，含鐵銹及金屬顆粒，且要求零級(jí)密封，實(shí)際的使用環(huán)境惡劣和能源供給線的重要性，對(duì)管線球閥提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求.

　　1、 強(qiáng)度和韌性
　　閥門除了承受內(nèi)部介質(zhì)壓力之外，尚需承受地基承載，由于環(huán)境溫度變化而引起的軸向拉力和壓力，考慮滑坡，地面沉降，洪水而引起的外部載荷，在寒帶及冰凍地區(qū)尚需考慮材料低溫沖擊韌性，防止低溫脆性斷裂。對(duì)于全焊接閥體球閥，焊縫及熱影響區(qū)，需要按照斷裂力學(xué)理論，考慮其斷裂韌性（CTOD）

　　2、零級(jí)的密封要求
　　閥門要求零級(jí)密封，以確保對(duì)下游端管線的有效截?cái)啵紤]介質(zhì)中金屬顆粒對(duì)零級(jí)密封的影響，金屬對(duì)金屬密封作為初級(jí)密封,PTFE/橡膠對(duì)金屬作為次級(jí)密封,以及一旦密封失效時(shí)應(yīng)采取緊急密封措施。

　　3、具備失火安全和防靜電功能；
　　管線球閥設(shè)計(jì)需考慮失火安全（fire safe）,一旦失火，閥門的外漏和內(nèi)漏不能超過API607規(guī)定的泄漏標(biāo)準(zhǔn)；球體被非金屬材料夾持，可能產(chǎn)生靜電，必須與閥體導(dǎo)通，在24VDC下，電阻值<10歐姆。

　　4、DBB功能（Double Brock & Bleed）
　　在閥腔排泄時(shí)，上游端閥座和下游端閥座應(yīng)同時(shí)自動(dòng)切斷，以確保排放時(shí)的安全。

　　5、防止閥腔壓力的夾持；
　　無論閥門處于開啟或關(guān)閉位置，均應(yīng)防止介質(zhì)在閥腔中被夾持，如果介質(zhì)可能夾持，則對(duì)于氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)均要確保自動(dòng)泄放閥腔內(nèi)的壓力，閥腔壓力泄放的較大值不超過閥壓力額定值的1.33倍，外部壓力泄放閥的口徑為DN15或更大。

　　6、排泄
　　閥腔的介質(zhì)可以排泄；并通過此排泄孔對(duì)閥門進(jìn)行在線密封檢測(cè)。

　　7、位置指示
　　無論手動(dòng)或動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，要有明顯的閥位指示表明閥門處于開啟位置或關(guān)閉位置；

　　8、傳動(dòng)鏈
　　傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)扭矩至少應(yīng)為球閥較大扭矩的2倍。

　　9、硫化工況
　　承壓部件及螺栓材料應(yīng)具有抗應(yīng)力裂化的能力，符合NACE,MR 0175要求.

　　10、緊急切斷功能
　　長(zhǎng)距離管道輸送系統(tǒng)采用衛(wèi)星監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA System），當(dāng)管線壓降速率或持續(xù)時(shí)間達(dá)到某一設(shè)定值，閥門應(yīng)緊急切斷；

　　11、考慮地下水的電位腐蝕和應(yīng)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(yīng)力腐蝕。

　三、國(guó)外管線球閥的發(fā)展

　　管線球閥經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上形成二大流派。一派以美國(guó)Cameron公司為代表，采用全焊接球狀閥體結(jié)構(gòu)。屬于這一流派的有德國(guó)的BORSIG公司，Schuck公司，美國(guó)Larsen&Toubro公司，日本KITZ公司，TIX公司，TUBOTA公司，以及俄羅斯圖拉的Tyazhpromarmatuva公司，如圖（一）所示；另一流派以意大利Grove公司為代表，采用分體式筒狀結(jié)構(gòu)，爾后在此基礎(chǔ)上發(fā)展成全焊接筒狀閥體結(jié)構(gòu)，如圖（二）所示。屬于這一流派的有意大利新比隆公司（Nuovo Pignone），PCC公司，PERAR公司，B.F.E公司，PIBIVIESSE公司，F(xiàn)CT公司，美國(guó)PBV公司，捷克的Czechoslovikia公司。　　

　　美國(guó)Cameron公司產(chǎn)品的技術(shù)特征：全焊接球狀閥體，尼龍或PTFE密封材料，可轉(zhuǎn)動(dòng)閥座，上下閥桿軸支承，進(jìn)口端密封，出口端腔體壓力自動(dòng)向下游端泄放。如圖（一）（a）所示。
　　美國(guó)Cameron公司在五十年代就完成全焊接球形閥體結(jié)構(gòu)，以其高的可靠性，經(jīng)半個(gè)世紀(jì)全球性的商品化銷售，仍保留原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征而成為著名品牌，廣泛用于重要的長(zhǎng)輸管線中，如美國(guó)阿拉斯加原油輸送管線。
　　意大利　Grove公司以雙活塞效應(yīng)，防爆橡膠O型圈或PTFE密封材料，支撐板支軸球結(jié)構(gòu)，分體式閥體，便于維修，在市場(chǎng)上取得競(jìng)爭(zhēng)地位，廣泛用于長(zhǎng)輸管線的場(chǎng)站，增壓站。爾后發(fā)展的圓筒狀或準(zhǔn)圓筒狀全焊接閥體球閥在長(zhǎng)輸管線中亦用作緊急切斷閥。
　　在某些場(chǎng)合，客戶需要在線維修，可選用上裝式球閥結(jié)構(gòu)。
　　　　　　　
　　由于商業(yè)上的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)技術(shù)上也相互交融。Cameron公司的Dynaseal 370系列產(chǎn)品即為分體式結(jié)構(gòu)，與全焊接閥體產(chǎn)品配套銷售；Grove公司也推出準(zhǔn)球狀的全焊接閥體結(jié)構(gòu)在主管線中獲得應(yīng)用。而其他公司如TIX，TITZ則吸收二大流派的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)各自制造工藝特點(diǎn)，推出球狀全焊接閥體，雙活塞效應(yīng)，橡膠密封材料的管線球閥產(chǎn)品，綜合了各流派的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。如圖（四）所示。

　四、管線球閥設(shè)計(jì)理念

　　管線球閥的設(shè)計(jì)理念較根本的是安全和可靠性。無論是長(zhǎng)輸管線或者是城市管網(wǎng)都是能源的供給線，是一條國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈線。全球性的地下輸油、輸氣管線和管網(wǎng)，就象地上輸配電網(wǎng)一樣，是城市工業(yè)和民用賴以生存的基礎(chǔ)，沒有這條能源供給線，現(xiàn)代化城市功能立即停止。

　　長(zhǎng)輸管線嚴(yán)酷的自然條件，從北極圈-70C°到赤道沙漠＋70 C°的溫度；經(jīng)受地震、地基沉降，泥石流，滑坡，洪水等自然災(zāi)害；地下水的電位腐蝕，含硫介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕等均是造成事故的誘發(fā)因素。城市管網(wǎng)爆炸已常見不鮮，自然災(zāi)害而造成的管線破壞也常有報(bào)道，如漢城城市天然氣管網(wǎng)破裂引起大火，在國(guó)內(nèi)如1984年鐵秦管線，因連日暴雨，秦皇島大石河水庫(kù)開閘，沖斷輸油管線，3000噸原油流入大海；1996年馬惠線，環(huán)江上游洪水暴發(fā)，沖斷管線，1000噸原油泄漏。根據(jù)《Pipeline》雜志，Sealweld公司估計(jì)，一只36”管線球閥的價(jià)格約45，000～65，000美元，故障需排盡上游端和下游端管線的天然氣損失約50，000～100，000美元。因此，管線球閥的設(shè)計(jì)和制造，對(duì)安全性和可靠性的強(qiáng)調(diào)，無論如何亦不為過分。而且這一理念應(yīng)貫徹在產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工藝規(guī)范，零件加工，型式試驗(yàn)，產(chǎn)品試驗(yàn)，質(zhì)量控制，售后服務(wù)的全過程。

　五、管線球閥設(shè)計(jì)

　　1、閥體
　　可分為全焊接閥體設(shè)計(jì)和分體式閥體設(shè)計(jì)。
　　全焊接閥體設(shè)計(jì)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(yīng)力復(fù)雜，軸向和徑向變形大。球狀結(jié)構(gòu)Cameron公司是四條焊縫拼接，現(xiàn)在由于工藝技術(shù)進(jìn)步，采用左右閥體熱鍛壓成型，可中間單焊縫焊接成型，減少線能量輸入，降低軸向和徑向變形。
　　分體式結(jié)構(gòu)一般由閥體和左右連接體組成。連接體與閥體由螺栓連接，連接法蘭厚度與螺栓的連接強(qiáng)度應(yīng)按與閥體內(nèi)徑相當(dāng)?shù)姆ㄌm進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，其連接強(qiáng)度必須防止管道應(yīng)力而產(chǎn)生連接松弛，使密封失效。閥體與連接體面對(duì)面接觸，中間無間隙。密封必須滿足失火安全要求，采用橡膠“O”型圈與纏繞式金屬墊組合密封。

　　閥體的材料為鍛件，溫度-29C°以上選用ASTM A105；-29C°以下選用ASTM A350 LF2。對(duì)于焊接閥體，對(duì)A105或LF2材料的化學(xué)成分、含碳量、碳當(dāng)量以及硫、磷等元素應(yīng)另有特殊限制。鍛件按三級(jí)鍛件標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，做100％無損探傷，焊縫處做著色檢查和超聲波探傷。

　　2、密封座與密封
　　閥座采用組合密封結(jié)構(gòu)，即金屬對(duì)金屬的初始“密封”，以阻擋固體顆粒的進(jìn)入；用橡膠、PTFE塑料、尼龍、PEEK等軟密封作為次級(jí)密封，以保證“零”級(jí)泄漏，如圖（六）所示。但由于管線中的異物的意外導(dǎo)入對(duì)軟密封材料的損壞，管線球閥均設(shè)有緊急密封劑的注入系統(tǒng)，以獲得暫時(shí)性的密封要求。

　　密封用的橡膠圈有圓形，三角形或其他特殊形狀。每一公司都有自己的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝措施，防止橡膠圈在開關(guān)過程中被吹出 （Blow out）或切壞。對(duì)于Class900磅級(jí)以上，應(yīng)選用防爆降壓(AED)特性的材料作為O型圈材料。
PTFE的密封圈，一般采用筒狀鑲嵌式結(jié)構(gòu)，亦可做成倒鉤狀組合式結(jié)構(gòu)，旨在保證密封圈不被吹出而導(dǎo)致密封失效。
密封座材料與閥體材料相同，化學(xué)鍍鎳，有彈簧加載以保證初始密封比壓，彈簧可采用螺旋彈簧，板彈簧或碟形彈簧，材料為Inconel X－750。
　　進(jìn)口端和出口端閥座采用對(duì)稱雙向密封設(shè)計(jì)。這種活塞式的介質(zhì)自密封結(jié)構(gòu)，按照客戶需要可設(shè)計(jì)成“單活塞效應(yīng)”（Single piston action），壓力自泄放密封座結(jié)構(gòu)（圖七）和“雙活塞效應(yīng)”（Double Piston effect）雙重密封結(jié)構(gòu)。

　　單活塞效應(yīng)即進(jìn)口端密封，出口端腔體壓力自動(dòng)排放。
　　雙活塞效應(yīng)即進(jìn)口端、出口端同時(shí)密封，無論是氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)，腔體必須設(shè)有安全閥，以保證壓力泄放。
單活塞效應(yīng)和雙活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)的閥座，其腔體壓力排放是有區(qū)別的。雙活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)是腔體壓力超過壓力等級(jí)相應(yīng)的壓力值的1.33倍時(shí)排放，且排放至大氣環(huán)境。而單活塞效應(yīng)的設(shè)計(jì)則是只要腔體壓力大于下游端管線壓力就自動(dòng)排放至下游管線。因此，一般公司把單活塞效應(yīng)產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，雙活塞效應(yīng)產(chǎn)品作為選項(xiàng)產(chǎn)品。
　　設(shè)置安全閥時(shí)，安全閥口徑應(yīng)≥1/2”，泄放壓力≤1.33倍額定壓力。閥座與連接體配合處應(yīng)有失火安全設(shè)計(jì)，與閥座配合處連接體內(nèi)表面應(yīng)局部化學(xué)鍍鎳。

　　3、球體與支承軸
　　管線球閥口徑（2”或2”以上）大都采用支承球、浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)（Trunnion mounted Ball and Floating Seat）。作用在球體上的介質(zhì)力有兩個(gè)滑動(dòng)軸承支撐，對(duì)于高壓、大口徑，這一軸向推力可達(dá)到幾十噸至幾百噸，滑動(dòng)軸的比壓必須進(jìn)行計(jì)算，其許用比壓不能超過供貨商提供的滑動(dòng)軸套許用比壓。許多公司都用不銹作為基體，內(nèi)襯PTFE塑料，這種軸承套承載比壓可達(dá)200～400Mpa，許用比壓取100～200Mpa，且摩擦系數(shù)低，可降低球閥的操作扭矩。
　　支承軸的設(shè)計(jì)，一種是在球上車削成上下軸頸，并用二個(gè)上下支撐板支承，中間內(nèi)置由PTFE內(nèi)襯的不銹鋼軸套，支承軸長(zhǎng)度L與軸頸d之比，由于結(jié)構(gòu)限制取L/d=0.4~0.8。另一種設(shè)計(jì)是球體車削成內(nèi)孔，上下由二個(gè)支承軸，支承在閥體上，這種設(shè)計(jì)一般L/d=1.2~2.。這二種結(jié)構(gòu)，前者由于軸頸粗而短，所以球閥的阻力矩較大，而后者的上支承軸，同時(shí)又是傳動(dòng)扭矩的閥桿，所以是處于復(fù)合的受力狀態(tài)，支承軸（閥桿）的材料可選用ANSI 4140并需化學(xué)鍍鎳。閥桿與球體扭矩的傳遞可用單鍵、雙鍵、花鍵連接，亦有直接連接裝配后與球體焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　球體的加工精度，圓度≤0.005mm，化學(xué)鍍鎳，鍍層厚度高于閥座的鍍層。
對(duì)于大口徑，高壓力級(jí)閥門的球體，應(yīng)作球體變形計(jì)算，這種變形足以引起密封失效。

　　4、閥桿與填料
　　標(biāo)準(zhǔn)的閥桿安全設(shè)計(jì)應(yīng)防止在工作壓力下被“吹出”，閥桿上防吹出的凸緣處置一環(huán)狀環(huán)，以減少摩擦系數(shù)。填料可采用二級(jí)“O”形圈密封，亦可采用皮碗形用PTFE加工的填料，并有失火安全石墨填料和緊急狀態(tài)下外部密封劑的注入系統(tǒng)。在閥桿與球體接合部以及閥桿與閥體接觸處應(yīng)有一防靜電機(jī)構(gòu)，防止靜電在球體上集聚。

　　5、DBB功能設(shè)計(jì)
　　DBB功能設(shè)計(jì)是指無論是閥門處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)，閥腔泄壓排放時(shí)，上游端和下游端閥座應(yīng)同時(shí)截止（Double Block & Bleed），并允許從排泄閥處對(duì)在線閥門進(jìn)行閥座密封性能測(cè)試，而不影響管線運(yùn)行。

　　6、緊急密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　緊急密封系統(tǒng)由注射器（Injector）和止回閥(Check Valve)組成，分別安裝在閥體上，在閥座處的外測(cè)和閥桿填料處外側(cè)。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(jìn)行清潔和沖洗，有專門生產(chǎn)的清潔劑和密封脂，用手動(dòng)或電動(dòng)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(jìn)行清潔和緊急密封操作。

　　7、失火安全與防靜電設(shè)計(jì)
　　失火安全與防靜電設(shè)計(jì)已在支承軸、密封座章節(jié)中予以說明，防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在24VDC下測(cè)定，電阻值不超過10歐姆。

　　8、閥門的操作
　　閥門的操作，有手動(dòng)、蝸輪傳動(dòng)、氣動(dòng)（雙作用或彈簧復(fù)位），高壓氣動(dòng)（直接使用管線氣體）、電動(dòng)、液動(dòng)（雙作用或彈簧復(fù)位）以及氣液聯(lián)動(dòng)。氣液聯(lián)動(dòng)可實(shí)施本地和遠(yuǎn)程控制，與衛(wèi)星遙控的SCADA系統(tǒng)相配合，當(dāng)下游壓力降的速率或持續(xù)時(shí)間超多設(shè)定值時(shí)，（即管線爆裂），緊急切斷閥自動(dòng)截?cái)啵в芯燃毙缘男顗浩鳎┦謩?dòng)操作。

　　9、端部設(shè)計(jì)
　　連接端按客戶要求，有法蘭連接端和焊接端。
　　法蘭連接端應(yīng)帶凸面或環(huán)形槽，其尺寸、公差與光潔度、以及打孔、法蘭面，锪孔、倒孔等應(yīng)按下列標(biāo)準(zhǔn)；
　　　　DN600及其以下，按ASME B16.5，其中DN550按MSS-SP44；
　　　　DN650以上按ASME B16.47中A系列
　　焊接端應(yīng)按ASME B31.4中434.8.6節(jié)圖（1）、（2）或ASME B31.8中圖（14）和（15）。

　　10、螺栓
　　體連接螺栓用ASTM A 193 B7材料制造，螺母用ASTM ( ) 制造，并符合NACE-TM 0284規(guī)定，客戶可以要求作著色試驗(yàn)，按ASME第V篇24款進(jìn)行。

　　11、直埋地下
　　直埋地下的閥門為全焊接閥體管線球閥，閥桿按客戶要求接長(zhǎng)，閥桿接長(zhǎng)部分設(shè)計(jì)應(yīng)牢固，能抗地面承載，所有閥體上的連接管、密封劑注入器，底部排泄閥、安全泄放裝置均接至地表，接管與閥體焊接。接長(zhǎng)桿的設(shè)計(jì)，其長(zhǎng)軸的繞曲和傳動(dòng)鏈結(jié)合部的間隙應(yīng)予控制，防止開關(guān)過程中，球體不能準(zhǔn)確地處于關(guān)或開的位置，造成傳動(dòng)失誤。

　　12、范圍
　　按API標(biāo)準(zhǔn)6D，以及制造廠的裝備能力，產(chǎn)品的供貨范圍：
　　　　　Class100－600磅級(jí) DN1/2”-60”
　　　　　Class900磅級(jí) DN1/2”-36”
　　　　　Class1500磅級(jí) DN1/2”-16”
　　　　　Class2500磅級(jí) DN1/2”-12”
　　在特殊場(chǎng)合，國(guó)外供貨商可提供：
　　　　　Class150－600磅級(jí) 較大口徑至DN72”
　　　　　Class900磅級(jí) 較大口徑至DN40”
　　　　　Class1500磅級(jí) 較大口徑至DN36”
　　　　　Class2500磅級(jí) 較大口徑至DN24”

　六、數(shù)值仿真技術(shù)

　　采用有限元分析的數(shù)值仿真技術(shù)作為管線球閥的輔助設(shè)計(jì)是必要的，對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，復(fù)雜的焊接工藝過程，可為設(shè)計(jì)和焊接工藝優(yōu)化提供有力的論證，下列零件的設(shè)計(jì)與制造可以進(jìn)行數(shù)值仿真：
　　1、分體式管線球閥閥體及連接螺栓應(yīng)力分析；
　　2、全焊接閥體管線球閥閥體的應(yīng)力分析；
　　3、全焊接閥體焊接過程的溫度場(chǎng)分布，焊接殘余應(yīng)力分布，焊接軸向變形和徑向變形預(yù)測(cè)，
　　4、焊接過程對(duì)支撐板受力狀態(tài)的影響；
　　5、球體的變形預(yù)測(cè)，尤其對(duì)于大口徑，高壓力級(jí)在介質(zhì)力作用下球體可能發(fā)生變形，這種變形應(yīng)控制在加工圓度的公差范圍內(nèi)
　　6、 全焊接閥體球閥強(qiáng)度分析；
　　7、全焊接球形閥體結(jié)構(gòu)的上下支承軸承受彎矩和扭矩的復(fù)合載荷作用，應(yīng)作應(yīng)力分析；
　　8、扭矩傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)與故障失效分析；
　　9、對(duì)于快速啟閉球閥（<0.5秒）傳動(dòng)軸的動(dòng)應(yīng)力分析；

　七、管線球閥制造

　　1、球體加工
　　高的密封性能和低的操作扭矩是球閥設(shè)計(jì)工作者追求的二個(gè)既定目標(biāo)，而這一目標(biāo)的解決取決于車球機(jī)和磨球機(jī)的進(jìn)步。國(guó)內(nèi)球體加工普遍采用車削法，即在普通車床上增加一個(gè)回轉(zhuǎn)刀架，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，操作方便。但由于切削刀尖的磨損和切削線速度的差異，球體的加工精度、圓度均存在問題，特別是大口徑的球體加工就難以滿足設(shè)計(jì)要求。這就是國(guó)產(chǎn)球閥扭矩大，密封性能差的原因。解決的方法是采用銑削＋磨削，或者采用具有補(bǔ)償功能的數(shù)控車球機(jī)，并帶有精度在線檢測(cè)裝置。

　　2、閥體焊接
　　全焊接閥體焊接工序是產(chǎn)品組裝后進(jìn)行，是較后一道工序。焊接后不再允許拆卸。這種產(chǎn)品越來越多，稱之為“焊接產(chǎn)品”。閥體的焊接應(yīng)解決幾個(gè)問題：
　　　　焊接過程溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)與控制；
　　　　焊接過程軸向變形、徑向變形的預(yù)測(cè)與控制；
　　　　焊接過程殘余應(yīng)力的控制；
　　要解決這一問題要選用一種焊接方法，優(yōu)化焊接工藝，包括母材、焊絲、焊劑的選擇，焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化，自動(dòng)化焊接設(shè)備的制造。并對(duì)焊接工藝進(jìn)行評(píng)定，以及對(duì)焊接工藝的“焊后免熱處理”通過專家評(píng)估。
　　閥體焊接設(shè)備需要專用焊接工裝及設(shè)備

　八、管線球閥試驗(yàn)

　　為了確保產(chǎn)品的可靠性，國(guó)外的公司對(duì)管線球閥做了大量的型式試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)，這些試驗(yàn)是：
　　1、外載荷彎曲試驗(yàn)
　　　　目的：考核抗地面沉降，泥石流、洪水、基礎(chǔ)載荷的能力，如圖（十七）所示。
　　　　方法：對(duì)于Class600，DN750的試驗(yàn)球閥施加367噸 /米的彎矩，測(cè)量：（a）閥門和管道的應(yīng)力；（b）以空氣介質(zhì)在102Kgf/cm2壓力下測(cè)試外部和內(nèi)部的密封性能；（c）測(cè)量球閥的開啟和關(guān)閉扭矩的變化；

　　2、外載荷拉伸、壓縮試驗(yàn)
　　　　目的：考核由于溫度變化而引起的軸向載荷和安裝載荷的影響，如圖（十八）所示。
　　　　方法：對(duì)于Class600，DN750mm的試驗(yàn)球閥施加2033噸的拉伸力和2033噸壓縮力。測(cè)量（a）閥門和管道的應(yīng)力；（b）以空氣為介質(zhì)，加壓至6Kgf/ cm2，測(cè)試外部和內(nèi)部的密封性能；（c）測(cè)試開啟與關(guān)閉扭矩；上述二項(xiàng)試驗(yàn)其結(jié)果應(yīng)力值應(yīng)在允許的范圍內(nèi)，無外部和內(nèi)部泄漏；開關(guān)的扭矩未發(fā)生變化；

　　3、吹風(fēng)試驗(yàn)
　　　　目的：考核密封結(jié)構(gòu)在開關(guān)過程中的可靠性。
　　　　方法：以空氣為介質(zhì)，吹入70Kgf/ cm2壓縮空氣，閥門的開度為6％～15％，檢查密封座無異常現(xiàn)象發(fā)生，亦未發(fā)生泄漏；

　　4、異物吹入試驗(yàn)
　　　　目的：異物侵入對(duì)密封性能的影響
　　　　方法：7號(hào)沙，粒度為0.05~0.14mm，在70Kgf/ cm2壓力下吹入1500克，開關(guān)30次，檢查對(duì)密封面的損壞狀況，并做低壓密封試驗(yàn)應(yīng)合格。

　　5、異物磨損試驗(yàn)
　　　　目的：磨損試驗(yàn)
　　　　方法：分別將7號(hào)沙，粒度0.05~0.14mm，5號(hào)沙，粒度0.4~1.6mm，3號(hào)沙，粒度1.1~2.3mm以及鐵屑各300克，置于閥體底部，分別開關(guān)30次，檢查泄漏情況。對(duì)于沙粒試驗(yàn)每分鐘泄漏在1cc以下為良好，對(duì)于鐵屑每分鐘250cc以下為良好。

　　6、緊急密封脂注入試驗(yàn)
　　　　目的：當(dāng)密封面損傷（深度<0.4mm的劃痕），密封失效時(shí)，注射密封脂，恢復(fù)其密封性能。
　　　　方法：人為使密封面損傷，產(chǎn)生500cc/min的泄漏，用高壓注射槍，將密封脂注入，并開關(guān)幾次，按閥門試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行密封試驗(yàn)，恢復(fù)至零級(jí)泄漏。

　　7、承載試驗(yàn)
　　　　目的：直埋地下的閥門，承受地基的均布載荷，考核其可靠性。
　　　　方法：對(duì)閥門和伸長(zhǎng)桿施加一個(gè)彎曲力矩，對(duì)于Class600，DN600的球閥彎曲力矩是7.6噸/米。在40Kgf/cm2壓力下，進(jìn)行氣密封試驗(yàn)和開關(guān)試驗(yàn)。對(duì)閥桿伸長(zhǎng)段進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定。其結(jié)果應(yīng)該是：閥門未發(fā)生泄漏；開關(guān)扭矩未發(fā)生變化；伸長(zhǎng)桿的應(yīng)力在許用范圍內(nèi)。

　　8、抗震試驗(yàn)
　　　　目的：閥門抵抗地震的能力測(cè)定，如圖（十九）所示。
　　　　方法：振動(dòng)速度12.2Kine，震動(dòng)加速度1373伽的情況下，測(cè)試其密封性能和進(jìn)行開關(guān)扭矩測(cè)定。

　　9、長(zhǎng)期浸漬試驗(yàn)
　　　　目的：考核材料的抗硫特性
　　　　方法：在輸送的原油中長(zhǎng)期浸泡，測(cè)定材料的機(jī)械性能的變化。

　　10、火燒試驗(yàn)
　　按照API標(biāo)準(zhǔn)6D附錄A的規(guī)定：閥門的火燒試驗(yàn)應(yīng)按ISO10497標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行火燒試驗(yàn)驗(yàn)證。按照BS6755第二部分，API標(biāo)準(zhǔn)6FA，API標(biāo)準(zhǔn)6FC，API標(biāo)準(zhǔn) 6FD，或API標(biāo)準(zhǔn)607驗(yàn)證的防火結(jié)構(gòu)也可以采納。

　　11、壽命試驗(yàn)
　　在全壓差下開關(guān)1000次，每隔100次，測(cè)量其泄漏量，其結(jié)果應(yīng)為零。
　　至于閥門的出廠的常規(guī)試驗(yàn)應(yīng)按API標(biāo)準(zhǔn)6D和API標(biāo)準(zhǔn)598，作以下項(xiàng)目的出廠試驗(yàn)：
　　　　壓強(qiáng)度試驗(yàn)
　　　　低壓密封試驗(yàn)
　　　　高壓密封試驗(yàn)
　　　　DBB功能試驗(yàn)
　　　　安全閥超壓排放試驗(yàn)
　　根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)附錄C的規(guī)定，購(gòu)方可以規(guī)定要求制造廠作下列附加試驗(yàn)：
　　1) 液壓靜態(tài)試驗(yàn)壓力和持續(xù)時(shí)間高于API6D的規(guī)定；
　　2) 高壓氣體試驗(yàn)，用高壓氣體替代高壓液體作密封試驗(yàn)
　　3) 防靜電試驗(yàn)，用12VDC測(cè)量，電阻值不能超過10歐姆；
　　4) 扭矩測(cè)試
　　5) 閥腔壓力泄放試驗(yàn)；
　　6) 氫裂試驗(yàn)；材料的氫裂試驗(yàn)按NACE TM0284規(guī)定來驗(yàn)證。

　九、管線閥門問題與預(yù)防

　　閥門出廠后經(jīng)常發(fā)生問題，這些問題應(yīng)引起供需雙方的關(guān)注。
　　1、存放不當(dāng)
　　閥門不能露天存放，應(yīng)置于通風(fēng)，干燥處，制造廠應(yīng)規(guī)定存放時(shí)間，存放時(shí)不能拆除閥門兩端的保護(hù)蓋。
閥門吊裝不能把執(zhí)行器作為起吊點(diǎn)，注意法蘭面不能碰傷。
　　2、安裝不當(dāng)
　　不能用閥門來支撐管道，安裝時(shí)法蘭或焊接端應(yīng)對(duì)齊，防止因管線熱脹而引起應(yīng)力超值。
　　3、焊接不當(dāng)
　　按照正確的工藝規(guī)范進(jìn)行焊接；
　　控制焊接溫度，防止密封材料損壞。
　　焊前在密封環(huán)帶處涂抹黃油，應(yīng)用氬弧焊打底，防止焊接飛濺物嵌入密封面。
　　4、啟動(dòng)過程的損壞
　　啟用前管線需經(jīng)清潔，清除管內(nèi)銹垢，沉積物，異物，防止對(duì)密封表面的損壞。
　　閥門不能長(zhǎng)期停留在半開半閉位置。
　　在管線強(qiáng)度試驗(yàn)后，務(wù)必徹底排空液體，水中的氯化物會(huì)導(dǎo)致閥門腐蝕，強(qiáng)度試驗(yàn)水中的氯化物含量需進(jìn)行控制，并添加防銹劑。
　　5、使用不當(dāng)
　　開關(guān)閥不能用作調(diào)節(jié)流量之用，嚴(yán)禁在半開半閉狀態(tài)下使用，閥門應(yīng)保持在全開位置或全關(guān)位置。
　　6、腐蝕
　　閥門制造與選用必須考慮介質(zhì)中H2S含量和氯化物的含量，選材和熱處理必須符合NACE MR-01-75要求
　　7、 密封材料的選擇不當(dāng)
　　選用橡膠O型圈作為密封材料時(shí)，對(duì)于Class600磅級(jí)以上，應(yīng)選用經(jīng)過驗(yàn)證的具有防爆減壓（AED）特性的材料。
　　8、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)問題
　　閥門開關(guān)位置不到位是經(jīng)常發(fā)生的問題，制造商必須保證傳動(dòng)鏈每一環(huán)節(jié)的制造精度，特別是接長(zhǎng)桿的球閥，出廠前應(yīng)檢查閥門開關(guān)位置和指示位置的一致性。

　十、閥門標(biāo)準(zhǔn)

　　管線球閥設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)是API標(biāo)準(zhǔn)6D，該標(biāo)準(zhǔn)提出建議，適用于滿足石油和天然氣工業(yè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13623要求的管線系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是GB：
　　1、全通徑或縮徑的通徑尺寸按API標(biāo)準(zhǔn)6D。
　　2、管線閥門的壓力等級(jí)按API標(biāo)準(zhǔn)6D，壓力溫度等級(jí)按ASME16.34。
　　3、管線閥門連接長(zhǎng)及公差按API標(biāo)準(zhǔn)6D。
　　4、法蘭端尺寸24”以下按ANSI B16.5；26”以上按ANSI B16.47。
　　5、對(duì)接焊端部尺寸按ASME B 16.25。
　　6、法蘭面加工按ANSI B16.5。
　　7、排泄孔與泄放孔管徑按API標(biāo)準(zhǔn)6D。
　　8、壓力試驗(yàn)按API標(biāo)準(zhǔn)6D和API標(biāo)準(zhǔn)598。
　　9、失火安全設(shè)計(jì)與試驗(yàn)按BS6755，第二部分；API標(biāo)準(zhǔn)607，API標(biāo)準(zhǔn)6FA。
　　10、材料應(yīng)符合相應(yīng)的ASME標(biāo)準(zhǔn)以及NACE MR 0175，NACE MR 0103標(biāo)準(zhǔn)。
　　11、閥門的焊接符合ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范 第IX卷焊接與釬焊評(píng)定，BS7448 斷裂韌性試驗(yàn) 第二部分。
　　12、閥門探傷符合ASME 鍋爐和壓力容器第V卷 無損檢測(cè)。
　　13、閥門標(biāo)記應(yīng)符合MSS-SP-25或API標(biāo)準(zhǔn)6D。
　　14、ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第VIII卷壓力容器制造規(guī)則。

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