长输管线电动球阀结构的设计研究

    一、概述
    为使我国西部的经济得到较快的发展,国家提出开发大西部的重大决策。开发新疆地区的石油和夭然气资源,是开发西部的重大举措之一。要使西部的油、气资源得到充分的利用,唯一的办法是将油、气通过管线输送到我国东部地区。国家为此将建设“西气东输”管网工程,即铺设主管线,西起塔里木的轮南气田,东到上海地区,全线长约4200 km。从国外的建设和运输的经验来看,在相同输送量的情况下,建一条大口径的管线比建几条小口径的管线更为经济;而且采用在一定范围内提高介质的输送压力,同样能够增加效益。所以,西气东输采取的管径为:DN =1000 mm, PN = 10.0 MPa。这样的参数在我国以前的输气管网中是从来没有的。
    我国西气东输管线距离长,管线经过沙漠、雨林、沼泽、山地、河流(长江、黄河)、平原,所经地区气候恶劣,环境温度变化范围为--30-80 -C,环境条件差。因此对长输管线阀门的要求比通用阀门的要求要高得多,要求长输管线阀门具有更高的可靠性,更高的密封性、更高的强度,以确保长输管线安全可靠运行。
    二、管线电动球阀的发展
    长输管线的发展,经过几十年的时间,在我国已初具规模,特别是管线球阀的发展。目前在国内管线上应用的国产管线球阀,参数已达到了PN = 6.4 MPa, DN = 1000 mm,但与西气东输工程中要求的参数,还有一段距离,管线球阀的紧急切断装置,国内还不能生产。
    另外,全焊接的球阀,国内还没有产品应用的历史。
    三、管线电动球阀的相关标准
    AP16D管线阀门
    AP16FA阀门的耐火试验
    AP1607较密封和90。转向阀门的耐火试验
    AP1598阀门的检验和试验
    ANSI B16.34法兰、螺纹和焊接端阀门
    JB/T7745管线球阀
    四、管线电动球阀的特点及要求
    在长输管线中,要求线路截断阀—管线球阀能够控制管道中的介质,具有开关作用,改变介质流向和防止倒流,发送或通过管道清洗球,防止事故发生,自动、紧急切断,封闭或打开管线等。
    1.密封性能可靠
    对长输管线线路只能定期巡查,而且有时需要通过人迹罕至的高山、沙漠)一草原及地震多发等地区。微小的漏失就会造成大量介质漏失,浪费能量,尤其是西气东输工程中,对天然气管道中的密封性更为严格。另外,还要求具有紧急注脂的密封性能。
    2.使用寿命要求长
    管线一旦投人运行,几年内甚至几十年内不允许停止运行,运行的时间越长越好。天然气面对的是大用户,是工厂、企业的原料或能源,不允许有片刻的闸断,所以,要求主要关键件如阀座等有很长的寿命。
    3.管线阀门的高强度、抗外力的安全性
    西气东输工程中,管线球阀的压力高达10.0 MPa,口径达到1000 mm。且管线的站距较长,长度达到20 km左右。在使用中,受温度的热胀冷缩、设备振动、地震灾害、地基变动等复杂的外力作用,阀门在管道中经常受到拉伸、弯曲、压缩等综合应力的影响,要确保阀门的正常使用,必须具备足够的强度。
    4.管线球阀应耐腐蚀
    因天然气中含有硫化氢,它能与铁反应生成硫化铁,腐蚀阀门,穿蚀机械,故管线球阀应选用耐腐蚀的材料。
    5.自动化程度高
    管线球阀的控制都是在中央控制室,距离较远,应能实施远距离遥控,且在事故状态下能紧急关断,关断时间要求达到15s左右。在管线正常运行时,可能几年内都不会动作,一旦动作,必须准确、可靠。
    6.管线阀门要求重量轻、结构紧凑、全通径
    为了保证阀门能在复杂的现场安装、符合埋地要求、检修方便,因此要求阀门重量轻,结构紧凑,并且是全通径,便于在管线正常运行时,能够清管。
    五、设计研究
    管线球阀的主要技术参数:
    公称压力PN=10.0 MPa
    公称通径DN=1000 m m
    实际通径DN=1016 mm
    环境极限温度一36-80℃
    介质:天然气(含有硫化氢和二氧化碳)
    启闭时间:关闭<15s、开启=60 s
    根据使用和标准的要求,以及长输管线球阀的要求,结合管线球阀的技术参数,我们作了如下的设计研究:
    1.全焊接式紧急切断管线球阀
    为了杜绝阀门的外漏、提高阀门的抗变形能力、减轻重量,需采用全锻焊式结构,典型结构见图1。
    全锻焊式结构,采用锻造的阀体,在装配后焊接而成,改变了过去的铸造、螺栓连接结构,不会有阀体部分的外漏。相对于铸件来看,锻件的壁厚可以减薄,且强度高,省去了中法兰和几十对螺栓的连接,重量大大减轻,据测试,将减轻1/4的重量。
    2.密封结构
    密封结构是球阀密封性能的关键设计,提供一个好的密封结构,直接影响球阀的使用寿命,根据研究,我们提供了下列几种符合实际要求的结构:
    (1)双活塞效应阀座双活塞效应的阀座基本原理即阀门有二个阀座密封,假如上游阀座损坏,介质进人中腔,而中腔的压力仍然能使下游阀座达到密封。见图2。
        P2>P1
        P2+P0>P1
    式中P0—弹簧力,单位为N.
    所以,当中腔有压力时,介质力能够使阀座压向球体,达到密封的目的。
    (2)双重密封为使阀门更有效地密封,该结构采用双重密封结构,即聚四氟乙烯密封软密封。加上金属硬密封,如果软密封出现问题,金属密封也能起到作用,见图2.
    同时金属硬密封还是防火结构的设计,即当软密封遭到火灾燃烧时,金属硬密封能够密封。
    (3)紧急注脂密封如果异物或其他原因损坏密封面,阀座中的密封脂加注系统可提供一种快速简单的恢复紧密关断的方法,加注密封脂达到密封。另外,加注系统也可以用于周期性情况阀座的密封区域。
    同时,在阀杆密封中也增加紧急注脂密封补充。见图3。
    3.防静电、防火结构
    标准中要求该球阀必须具有防静电、防火结构,阀门在球体、阀杆和阀体之间设置静电结构,在密封圈设置防火结构,当发生火灾时,金属密封圈仍能达到密封。
    4.紧急切断装置
    当管道发生事故时,要求该事故管道两端的球阀实行紧急切断,一般要求在15s之内关闭两端阀门,或者在更短的时间内。现在,各阀门制造厂大部分选用国外的气液联动的紧急切断装置。该装置直接利用管道输送的介质,利用介质的压力,由感应装置或由主控室的指令,感应事故信号,直接控制阀门,达到紧急切断阀门的目的。
    5.固定球结构
    为减少介质压力对球体及阀杆造成的弯曲应力,将阀杆与球体的连接设计成分段结构,避免介质压力直接作用在阀杆上,造成阀门开关的难度。另外,加大球体的支撑截面积,提高球体的刚性。
    综上所述,采取上述几种方案的特点,能够符合标准对阀门的要求,同时,也能符合工程的需要。
    六、管线球阀的发展趋势
    近年来,随着长输管线的快速发展,管线球阀作为紧急切断的阀门之一,发展速度也非常快,主要呈现以下几个方面的发展趋势:
    (1)大型化、高参数目前,管线球阀己发展大公称压力PN=14.0 MPa,公称通径DN=1400mm,大型化、高参数将给输送带来更大的经济效益。
    (2)高强度的耐腐蚀材料阀门尺寸的增大,压力的增高,迫切需要研究高强度的耐腐蚀的新型锻材,以适应阀门尺寸不断加大的需要。
    (3)多重密封结构为保证阀门的密封,正在研究一种多重复合材料的密封结构,以确保阀门在使用中能达到50年甚至更长的使用寿命。
    (4)高可靠性又快速关闭紧急切断球阀,在输气管道中长时间出于开启状态,有时十年也不动作,但是,一旦动作,便要准确可靠,保证更高的可靠性,并且能够在更短的时间内快速关闭。
    (5)自动化程度更高紧急切断球阀,能感知事故的发生,自动关闭,感知距离更长。
    七、结束语
    在长输管线的建设中,紧急切断球阀已经得到越来越广泛地应用。采用上述设计结构,保证了阀门的密封性、长寿命、安全性、耐腐蚀等要求,完全可以在长输管线的的建设中得到使用。