长输管线球阀结构的设计研究

1.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天然气资源，就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的东部地区。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公里。管线输送已成为当代物料运输的主要方式之一，利用长距离管线输送油、气等资源已成为当今世界能源输送的最主要的手段。世界上主要油、气生产国和消费国都大量使用长输管线来解决油、气资源的运输问题，其中，天然气的输送95%以上采用管线方式。据统计，目前，世界上已有的油、气长距离输送管线总长度超过260万公里，其中，天然气输送管线总长度约140万公里，占管线总长度的二分之一以上。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：公称直径DN=1000mm，公称压力PN=10.0MPa。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－30oC——＋80oC，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。

2.管线球阀的发展

　　 长输管线的发展，经过几十年的时间，在我国以初具规模，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PN6.4MPa，DN1000mm，但与西气东输工程中要求的参数，还有一段距离，另外，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。

3.管线球阀的相关标准

API 6D 管线阀门
API 6FA 阀门的耐火试验
API 607 软密封和90o转向阀门的耐火试验
API 598　阀门的检验和试验
ANSI B 16.34 法兰、螺纹和焊接端阀门
J B/T 7745　管线球阀

4.管线球阀的特点及要求

　　 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。

４.1密封性能可靠

　　 长输管线只能定期巡查或巡逻，而且有时需要通过人迹罕至的高山、沙漠、草原及地震等地区。微小的漏失就会造成大量介质的漏失，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重要，另外，还要求具有紧急注脂的密封性能。

4.2使用寿命要求长

　　管线一旦投入运行，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，是大工厂、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。

4.3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10.0MPa。口径达到1000mm。且管线的站距较长，长度达到20公里左右，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，阀门在管道中经常受到拉伸、弯曲压缩等综合应力，要确保阀门的正常使用，必须具备足够的强度。

4.4管线球阀应耐腐蚀

　　因天然气中含有硫化氢，它还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。

4.5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，应能实施远距离控制或遥控，且在事故状态下能紧急关断。关断时间要求达到15秒左右，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。

4.6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、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。

5.设计研究

管线球阀的主要技术参数：
公称压力PN=10.0MPa
公称通经DN=1000mm
实际通经D=1016mm
环境极限温度-36oC——+80oC
介质：天然气（含有硫化氢和二氧化碳）
启闭时间：关闭<15秒、开启＝600秒
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：

5.1全焊接式管线球阀

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（暂无，欢迎提供）

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，将减轻四分之一的重量。

5.2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：

5.3 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，结构如图１所示（暂无，欢迎提供）：

5.4 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15秒之内关闭两端阀门，或者在更短的时间，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。

5.5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。结构设计见图４（暂无，欢迎提供）：

　　 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。