管道電動(dòng)球閥作為管輸系統中的重要組成部分, 是長(cháng)輸管道中使用最廣泛、用量最大的設備, 同時(shí)也是出現問(wèn)題最多的設備。管道球閥在管 輸系統中主要起隔斷作用,要求具有較好的密 封性,不能存在內漏,而閥門(mén)內漏等各類(lèi)故障 與閥門(mén)密封原理密切相關(guān),有必要對長(cháng)輸管道 閥門(mén)密封原理開(kāi)展研究,指導閥門(mén)的選型、安裝、維護保養等工作。

電動(dòng)球閥按照球體的固定方式可分為浮動(dòng)式球閥和固定式球閥。浮動(dòng)式球閥在大壓差條件下 開(kāi)啟時(shí)需要較大的工作扭矩,較少使用在大管 徑、高壓的長(cháng)輸管道,而固定球閥在輸油氣管 道中廣泛應用。管道球閥球體通常為圓球結構,位置固定,球體上下轉軸被分別固定在球 體的軸承中,管道輸送介質(zhì)在球體上產(chǎn)生的作 用力會(huì )全部傳遞給軸承,閥座不會(huì )承受過(guò)大壓 力,球閥球體也不會(huì )發(fā)生橫向位移,因此,固 定式球閥操作力矩相對較小。由于清管需要, 管道球閥一般選用全通徑球閥。

固定球閥一般會(huì )設置二重或三重密封。第一 重為金屬結構硬密封,防止流體中的雜質(zhì)及顆 粒劃傷密封面,同時(shí)確保閥門(mén)在失火狀態(tài)下的 密封,滿(mǎn)足防火要求。第二道密封又稱(chēng)作軟密 封,其密封材料主要有聚四氟乙烯、尼龍、氟橡 膠等,少數閥門(mén)廠(chǎng)家會(huì )設計第三道密封以增強 球閥密封性能。

2.1 閥座密封原理

固定式球閥閥座分為雙活塞效應閥座和自泄 式(也稱(chēng)單活塞效應)閥座。雙活塞效應閥座能抵抗來(lái)自閥腔或管道側的壓力而保證雙向密封,而自泄式閥座只能抵抗管道側壓力實(shí)現單 向密封,但當閥腔承壓時(shí)可實(shí)現閥腔自動(dòng)泄壓 功能,避免閥體超壓破裂的風(fēng)險。

閥座的兩種密封設計與其受力情況密切相 關(guān),假設閥座受到的合力為FR,閥座彈簧力為 FF,流體對閥座的作用力為F△A,閥座管線(xiàn)側 與流體接觸面積為Aa,閥座閥腔側與流體接觸 面積為Ai,管線(xiàn)內流體壓力為P,則無(wú)論閥腔是 否帶壓,閥座的受力情況為:

(1) 雙活塞效應閥座受力分析。當閥腔不承壓 時(shí),球閥腔內沒(méi)有壓力,由于此時(shí)Aa>Ai,流 體對閥座的作用力為F△A指向閥腔側,如圖1所 示,合力FR方向指向閥腔側,合力FR將迫使閥 座密封圈向閥體靠近做擠壓移動(dòng),盡管這種位 移非常微小,只有千分之幾英寸,但足以使閥 座密封圈和閥體之間形成有效的密封。根據受 力分析,介質(zhì)壓力P越大,合力FR越大,閥門(mén)密 封效果越好。

如果球閥閥腔承壓,在這種情形 下A'a>A'i,流體對閥座的作用力為F'△A也指 向閥腔側,如圖2所示,合力F'R的方向指向閥腔側,迫使閥座密封圈擠壓閥體形成密封。這時(shí)同樣閥腔介質(zhì)壓力P越大,合力F'R也越大, 密封效果也越明顯。通過(guò)上述分析可知,雙活 塞效應的閥座無(wú)論閥腔是否帶壓,閥座總能和 球體緊密接觸而實(shí)現密封。

自泄式閥座受力分析。當球閥閥腔不承壓 時(shí),自泄式閥座的密封原理同雙活塞效應閥座 的密封原理相同。當閥腔承壓,閥腔內流體壓 力超過(guò)管線(xiàn)流體壓力時(shí),由于自泄式閥座結構 不同于雙活塞效應閥座,此時(shí)A"a<A"i,管線(xiàn) 內流體對閥座的作用力F"△A指向管道側,與彈 簧對閥座作用力方向相反,如圖3所示,隨著(zhù)閥 腔內流體壓力P的增大,當流體對閥座的作用力 F"△A大于彈簧作用力F"F時(shí),閥座受到的合力 F"R指向管道側,迫使閥座密封圈與球體脫離并 向管線(xiàn)側進(jìn)行移動(dòng)形成空隙,閥腔內的壓力得 到泄放。由此可知,自泄式閥座只具備管道側 指向閥腔側的單向密封性能,但閥腔超壓時(shí)能 夠實(shí)現自泄壓功能。

2.2 管道電動(dòng)球閥密封類(lèi)型比較

氣管道干線(xiàn)球閥通常選用雙隔離與排放 (DIB)球閥,雙隔長(cháng)輸油離與排放球閥又分為 1型( DIB-1)和2型( DIB-2)兩種[5]。DIB-1 型球閥目前應用于輸氣管道工程較多[6],DIB-2 型球閥則在輸油管道應用廣泛。

DIB-1、DIB-2類(lèi)型球閥結構上的區別在于 兩個(gè)閥座不同的組合型式。DIB-1型管線(xiàn)球閥 的兩個(gè)閥座均為雙活塞效應的閥座,因此,閥 門(mén)兩個(gè)閥座均具備雙向密封功能,無(wú)安裝方向 要求,在任意一側閥座受損失效后,其另一側 閥座仍然可以保證球閥具備雙向密封功能,但 當截留在閥腔的介質(zhì)為液體的情況下,需要在 閥體配置安全泄放閥以保證閥體不會(huì )因介質(zhì)膨 脹導致超壓。DIB-2型管線(xiàn)球閥一個(gè)閥座為自泄 式閥座,另一個(gè)閥座為雙活塞效應的閥座,為 非對稱(chēng)結構,有安裝方向要求,閥腔壓力可通 過(guò)自泄閥座向管道側自動(dòng)釋放,不需要在閥體 配置安全泄放閥。當雙活塞效應閥座受損失效 后,其自泄式閥座只具備管道側指向閥腔側的 單向密封功能,故DIB-2型管線(xiàn)球閥的密封性能 要低于DIB-1型閥門(mén)。

(1)輸氣管線(xiàn)分輸站場(chǎng)中的DIB-1型球閥 閥體取消安全泄放閥配置。閥體設置安全閥的 目的是防止截留在閥門(mén)閥腔的氣體膨脹超壓, 但通過(guò)理論分析,在輸氣管線(xiàn)分輸站場(chǎng)中,溫 度的變化遠不足以導致閥門(mén)閥腔膨脹超壓,并且閥體上配置安全閥實(shí)際上是增加了一個(gè)潛在 泄漏點(diǎn),同時(shí)安全閥需要定期年檢,增加了管 道運行單位的設備維護工作量。閥門(mén)閥體是否 設置安全閥要通過(guò)理論計算閥腔是否存在超壓 而確定,針對輸氣管線(xiàn)分輸站場(chǎng)中的DIB-1型 球閥而言,安全泄放閥起不到閥腔超壓保護功 能,建議用戶(hù)在技術(shù)規格書(shū)中細化技術(shù)條件, 取消安全閥配置。

(2)輸油管道DIB-2型球閥應根據閥門(mén) 工藝位置及功能確定安裝方向。對于過(guò)濾器、 流量計、調節閥兩端截斷球閥,靠近過(guò)濾器、 流量計、調節閥一側應為雙活塞效應的閥座, 遠離過(guò)濾器、流量計、調節閥的另一側為自泄 式閥座,其目的是保證過(guò)濾器清洗、流量計檢 定、調節閥檢修期間,每個(gè)截斷球閥具備兩道 密封功能,保證作業(yè)安全,如果安裝方向相 反,截斷球閥只能一道密封,留下設備隱患。

(3)對于常年穩定加熱輸送的輸油管道, 建議考慮使用DIB-1型閥門(mén)。輸油管道通常選用 DIB-2型閥門(mén)是因為其通過(guò)自泄式閥座具備閥腔 自泄壓功能,但閥門(mén)密封性能比DIB-1型閥門(mén)較 差。對于運行工況穩定的熱油管道,因輸送工 藝的需要,管道內介質(zhì)的溫度變化不大,不存 在閥腔超壓的可能性,閥門(mén)選型上若選擇DIB-1 型閥門(mén),閥門(mén)較DIB-2型閥門(mén)增加了一道密封, 減少閥門(mén)內漏幾率,即使閥腔出現超壓情況, 也可通過(guò)在閥體設置安全泄壓閥泄壓,保證設 備安全。

(4)建議閥門(mén)廠(chǎng)家在球閥閥體上標注閥 門(mén)兩端密封座的密封類(lèi)型。因為閥門(mén)兩端的密 封型式不僅涉及到輸油、輸氣閥門(mén)選型上的差 異,也涉及到輸油管道閥門(mén)安裝方向的確定。 為了給施工單位及運營(yíng)單位提供便利,無(wú)論何 種類(lèi)型的閥門(mén),建議閥門(mén)廠(chǎng)家在閥體標注球閥 兩端密封座的密封類(lèi)型。

管道球閥在長(cháng)輸油氣管道工程中應用廣泛, 而密封可靠性是管道球閥最重要的性能。長(cháng)輸 油氣管道通常選用DIB-1、DIB-2兩種不同類(lèi)型 的球閥,兩者區別在于不同閥座型式的組合。

閥門(mén)選型應用方面應結合不同的工藝生產(chǎn)運行 條件,在保證安全的條件下選擇應用密封性能 優(yōu)良的球閥類(lèi)型。