近年來，隨著能源結(jié)構(gòu)及能源區(qū)域重點(diǎn)的調(diào)整，我國石油、天然氣管線取得了飛速的發(fā)展。在以西氣東輸一線、二線為代表的管線工程建設(shè)中，其開關(guān)調(diào)節(jié)閥門很多都是采用國際上成熟應(yīng)用的全焊接球閥。由于國內(nèi)近幾年全焊接球閥的需求量很大，極大地推動(dòng)了我國全焊接球閥技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)由于我國的管路系統(tǒng)對(duì)壓力、材料和環(huán)境的要求都比較高，因此也對(duì)全焊接球閥提出了更高的要求。目前長輸管線對(duì)球閥的要求是：受力均勻、密封可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強(qiáng)度高等。

　　本文通過對(duì)全焊接球閥的制造過程及焊接過程的介紹，以期為行業(yè)發(fā)展提供參考。

1、全焊接球閥的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

　　本文介紹的全焊接球閥采用球形單一焊縫，施焊采用全自動(dòng)焊接工藝。該球閥具有受力均勻、密封可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兼?zhèn)涞墓芫�球閥，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外，并打破了國內(nèi)管線閥門以筒形制造為主的格局。

　　1.1、球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文所述的全焊接球閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種球閥跟傳統(tǒng)的三段式球閥最大的區(qū)別就是封閉球體的方式采用焊接方式。因此在焊接過程中內(nèi)外襯都很重要。此外，球閥在管線上的安裝也是采用焊接連接的方式。

圖1 全焊接球閥

　　閥座密封構(gòu)造一般為二重密封，即上游和下游二重密封。閥座嵌入圈具有優(yōu)良的耐腐性、耐磨性和良好的彈性，具有高度的密封性能。閥座的構(gòu)造如圖2所示。

圖2 閥座的構(gòu)造

　　閥座二重密封構(gòu)造的原理如下所述。

　　(1)上游側(cè)閥座的密封原理：因上游圧力，閥座受球擠壓形成密封，如圖3所示。閥座所受壓力F上為：

圖3 上游密封原理

　　式中p——管內(nèi)壓力;

　　Fs——彈簧力。

　　(2)下游側(cè)閥座的密封原理：閥座因閥體內(nèi)的壓力受球擠壓形成密封，如圖4所示。所受壓力F下為：

圖4 下游密封原理

　　式中p——管內(nèi)壓力;

　　Fs——彈簧力。

　　閥桿的密封采用抗旋轉(zhuǎn)性強(qiáng)的G-T(氟化橡膠和聚四氟乙烯)密封圈，進(jìn)行上下二重密封。二重密封圈之間可以注入緊急密封脂， 用以緊急修復(fù)。閥桿的密封結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 閥桿密封結(jié)構(gòu)

　　1.2、球閥的使用和維護(hù)

　　閥座一旦需要緊急修復(fù)，可以通過圖6所示的方式對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，而不需要破壞焊接結(jié)構(gòu)。閥體內(nèi)部的零件(球、閥座圈等)產(chǎn)生的靜電通過彈簧、墊圈向閥體放電。從操作性角度看，因有耳軸支撐，可以用較小的力進(jìn)行操作。耳軸部采用摩擦阻力小的聚四氟乙烯軸承。閥座為浮動(dòng)閥座，閥座受球擠壓的力相對(duì)于流體壓力來說，數(shù)值較小。

圖6 閥座緊急修復(fù)示意圖

　　維護(hù)管理方面，球閥一般不需做維護(hù)和保養(yǎng)。萬一密封部位發(fā)生泄漏，可注入密封脂進(jìn)行緊急修復(fù)。閥座和閥桿密封的緊急修復(fù)，使用IKSS-3L密封脂。

2、全焊接球閥的制造

　　2.1、球閥主要構(gòu)件的材料

　　(1)閥體主要使用鍛件;

　　(2)球體主要使用表面處理后的鍛件;

　　(3)閥座圈使用18Cr-8Ni不銹鋼鍛件;

　　(4)閥桿需要進(jìn)行表面處理;

　　(5)密封材料主要有丁腈橡膠和環(huán)氧氯丙烷橡膠。

　　2.2、焊接材料及焊接工藝

　　球閥的焊接過程全部使用全自動(dòng)焊接。

　　(1)閥體焊接

　　GTAW(鎢極氣體保護(hù)焊)+SAW(埋弧焊)

　　(2)閥桿焊接

　　GTAW(鎢極氣體保護(hù)焊)+GMAW(熔化極氣體保護(hù)焊)

　　(3)接管焊接

　　GTAW(鎢極氣體保護(hù)焊)+SAW(埋弧焊)

3、全焊接球閥的檢測

　　由于全焊接球閥的安裝是直接焊接在管線上的，因此其需要進(jìn)行的檢測項(xiàng)目也與普通球閥有很大的區(qū)別。比較特殊的檢測要求有如下幾個(gè)方面。

　　3.1、彎曲試驗(yàn)

　　球閥的彎曲試驗(yàn)?zāi)�擬管線在不同的沉降區(qū)域發(fā)生了管線撓曲，試驗(yàn)過程如圖7所示。

圖7 彎曲試驗(yàn)過程

　　試驗(yàn)方法：(1)連接閥門，施加4200kN·m的彎矩，測量閥門和管道的應(yīng)力。(2)在空氣介質(zhì)公稱工作壓力下測試閥門的密封性能。(3)測量閥門的開啟和關(guān)閉扭矩。

　　試驗(yàn)合格判定依據(jù)：(1)閥門各部位的應(yīng)力在屈服強(qiáng)度以下。 (2) 無外部泄漏、閥座泄漏。(3)操作扭矩?zé)o異常。

　　3.2、閥門拉伸和壓縮試驗(yàn)

　　閥門拉伸和壓縮試驗(yàn)過程如圖8所示。

圖8 閥門拉伸和壓縮試驗(yàn)過程

　　試驗(yàn)方法：(1)連接閥門的配管加載19900kN的拉力和壓縮力。(2)施加0.4～0.7MPa的氣壓，進(jìn)行外部泄漏、閥座泄漏、扭矩測量試驗(yàn)。(3)測量閥門及袖管的應(yīng)力。

　　試驗(yàn)合格判定依據(jù)：(1)閥門各部位的應(yīng)力在屈服強(qiáng)度以下。 (2)無外部泄漏、閥座泄漏。(3)操作扭矩?zé)o異常。

　　3.3、沖刷試驗(yàn)

　　沖刷試驗(yàn)是模擬油氣運(yùn)輸過程的一個(gè)測試。試驗(yàn)過程如圖9所示。

圖9 沖刷試驗(yàn)現(xiàn)場

　　試驗(yàn)方法：(1) 在沖刷試驗(yàn)裝置的配管中注入公稱工作壓力的氮?dú)狻?2)打開閥門，讓流體通過沖刷閥座。 (3)檢查閥座有無異常。

　　試驗(yàn)合格判定依據(jù)： (1)閥座未發(fā)現(xiàn)異常。(2)閥座的密封性能無異常。

　　3.4、反復(fù)加壓操作試驗(yàn)

　　反復(fù)加壓操作試驗(yàn)主要模擬實(shí)際操作過程中閥門的運(yùn)作狀況及耐用性。

　　試驗(yàn)方法：(1) 先將閥門關(guān)閉， 對(duì)閥座施加公稱工作壓力的氣壓，然后將閥門全開。如此反復(fù)操作，重復(fù)200次。(2)在0.4～0.7MPa及公稱工作壓力的氣壓下檢查閥座有無泄漏。

　　試驗(yàn)合格判定依據(jù)： (1)閥座未發(fā)現(xiàn)泄漏。(2)閥門的閥座無異常。

　　3.5、低溫反復(fù)操作試驗(yàn)

　　低溫反復(fù)操作試驗(yàn)?zāi)�擬我國西北和東北地區(qū)在冬天的極寒情況下閥門的操作狀況。

　　試驗(yàn)方法：(1)將球閥冷卻至-45℃，重復(fù)開關(guān)200次。 (2)重復(fù)開關(guān)后，在0.4～0.7MPa及公稱工作壓力氣壓下檢查閥座有無泄漏。

　　試驗(yàn)合格判定依據(jù)： (1)閥座未發(fā)現(xiàn)泄漏。(2)閥門的閥座無異常。

　　3.6、異物咬合試驗(yàn)

　　異物咬合試驗(yàn)?zāi)�擬油氣運(yùn)輸過程中內(nèi)部有雜物的情況，要求在雜物進(jìn)入球閥內(nèi)的情況下，球閥仍能正常動(dòng)作。

　　試驗(yàn)方法：(1)將不同目數(shù)的沙子、鐵銹、氧化皮各100mL放在閥座和球的接觸處。(2)進(jìn)行250次開關(guān)。(3)每開關(guān)50次，在0.6MPa及7MPa氣壓下檢查閥座有無泄漏。 (4)在閥座部位注入密封脂，進(jìn)行緊急修復(fù)試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)合格判定依據(jù)：(1)開關(guān)150次，閥座無泄漏。 (2)開關(guān)200次，小于180mL/min的泄漏。 (3)開關(guān)250次，小于625mL/min的泄漏。(4)在閥座部位注入密封脂后閥座無泄漏。(5)操作扭矩?zé)o變動(dòng)，操作情況良好。

　　3.7、吹垢試驗(yàn)

　　試驗(yàn)方法：(1)將閥門關(guān)閉，在閥座前方放置1L的異物， 在放置異物側(cè)施加7MPa的氣壓，閥門開放16%，把異物吹入閥座。(2)在0.6MPa及7MPa的氣壓下，進(jìn)行閥座泄漏試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)合格判定依據(jù)：閥座無泄漏，操作扭矩?zé)o異常。

　　3.8、抗震試驗(yàn)

　　模擬地震，在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，使用不同的載荷和不同的振幅、振動(dòng)頻率，對(duì)球閥進(jìn)行抗震試驗(yàn)測試。

　　試驗(yàn)方法：(1)對(duì)加長桿加載，相當(dāng)于地基滑坡時(shí)產(chǎn)生的土壓彎曲載荷。(2)測量閥門及加長桿部位的應(yīng)力。(3)在圧力11.3MPa下進(jìn)行密封試驗(yàn)。(4)進(jìn)行操作扭矩試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)合格判定依據(jù)：(1)各部位的應(yīng)力在屈服強(qiáng)度以下。(2)閥門無泄漏，無異常。(3)操作扭矩?zé)o異常。

4、結(jié)論

　　球形構(gòu)造的全焊接球閥具有受力均勻、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。采用雙活塞效應(yīng)的閥座結(jié)構(gòu)和特制的密封橡膠材料，能夠有效地增強(qiáng)密封的可靠性，確保球閥長達(dá)30年的使用壽命。通過閥門的一系列測試，可以保證閥門在特殊工況下的使用要求。