天然气管道系统阀门使用研究

陈昊炜，蔡晓君

(北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617)

天然气管道系统阀门使用研究

陈昊炜，蔡晓君

(北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617)

摘要：随着21世纪能源问题的集中爆发，天然气作为一种传统能源的替代品，在各行各业发挥了重要作用。天然气管道阀门作为天然气运储环节中的重要环节，担负着气体密封和管道通断的多项使命。随着相关技术理论的发展成熟，对于天然气管道阀门的理论研究逐渐走向深入，新型阀门以及相关部件的研究成果也走向市场化，并且获得了较为理想的使用效果。针对目前天然气管道广为使用的阀门类型进行了研究，旨在总结前人经验以及从笔者个人角度提出合理化建议。

关键词：天然气；阀门；管道

据统计，2010～2050年，世界能源需求将增加60%，但煤炭和石油消费将处于逐步下降的趋势，到2040年，天然气的比例将与石油持平，到2050年将超过石油，成为世界第一能源。在这种世界背景下，国内对天然气用量的需求日益攀升，相关产业的建设也迎来了春天，据不完全统计，“十二五”期间将新建天然气管道(含支线)4.4万km，新增干线管输能力约1 500亿m3/a；新增储气库工作气量约220亿m3，约占2015年天然气消费总量的9%；城市应急和调峰储气能力达到15亿m3[1]。到“十二五”末，将初步形成以西气东输、川气东送、陕京线和沿海主干道为大动脉，连接四大进口战略通道、主要生产区、消费区和储气库的全国主干管网，形成多气源供应，多方式调峰，平稳安全的供气格局[2]。

1天然气的物化性质及应用特性

天然气是一种主要存在于油田、气田、煤层和页岩层多组分的混合气态化石燃料，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷[3]。天然气燃烧后无废渣和废水产生，相较煤炭及石油等能源主要有3个特点：1)绿色环保，天然气是一种环保的优质能源，其燃烧产物几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料，因此能减缓温室效应；2)经济实惠，天然气与人工煤气相比，同比热值价格相当，并且使用天然气能延长灶具的使用寿命，也有利于用户减少维修费用的支出，天然气是清洁能源，因而能减少该地区对于相关问题的环保投入，为地区经济发展提供新的增长点；3)安全可靠，天然气无毒、易散发、比重小于空气，是一种不宜积聚而产生爆炸的气体，是较为安全的燃气。

2天然气管网阀门使用的客观条件

我国使用的天然气气源来源多样，以上海为例，目前较为广泛使用的气源多达6种，由于气体组成成分不同，因此对天然气管网的实际要求也不尽相同。以管网压力这一主要参数来说，作为我国典型大型城市代表的上海来讲，其天然气管网分为8个压力等级：6.0 MPa、4.0 MPa、2.5 MPa、1.6 MPa、0.8 Mpa、0.4 MPa、3 kPa和1 kPa；同时，由于管网内存在杂质(如沙质粉尘和金属屑等)，在这种高压、多尘的环境下，阀门的内腔尤其是其密封件要长期经受住较强的冲击力。因此，天然气阀门全开或全关时,密封面最好与天然气介质不接触[4]。

3天然气管网阀门使用的具体要求

根据我国燃气产品标准体系的各个执行标准，将天然气管网阀门使用的具体要求总结如下。

3.1阀体材料选用要求

应当根据输气管网的压力选用合适的阀体材质，同时由于天然气在脱硫处理前存在大量硫化氢，而这种气体能与铁质发生反应，生成硫化铁，从而造成较严重的化学腐蚀；因此，在选用材料时要优先考虑压力等级和材料化学性质这2个因素，同时要考虑经济成本。选用时要注意如下4点：1)对中压B级及以下的输气管网,建议采用灰铸铁阀门,其最大优点是防腐蚀性能好,价格便宜；2)对次高压B级及以下的管网,建议选用球墨铸铁或铸钢阀门,推荐选用前者，球墨铸铁的力学性能与铸钢相近,而其防腐蚀性能和铸造工艺都优于铸钢,价格也低于铸钢，因此上述压力范围内应尽可能选用球墨铸铁阀门；3)对次高压A级及以上的输气管网,建议选用铸钢阀门；4)PE材料一般用于0.4 MPa压力级别及以下的输气管网，PE球阀可直埋,密封性能较好,抗振性能优于金属阀门，而且不需要日后的维护，是将来的发展趋势。

3.2密封性能选用要求

由于多数天然气管线都铺设在地下，因此地下管网的阀门应能承受天然气管网的最高压力,同时在承受各种外力时要保证在许可范围内的变形和保证严格的密封性。为了确保可靠的密封性，通常重要部位和埋地的阀门都采用阀体全焊式结构，对于密封副的要求是耐磨、耐腐蚀、自润性好且弹性佳。其中，软密封阀门在额定压力的1.1倍下不能出现任何内泄漏,硬密封在额定压力的1.1倍下内泄漏量不能超过规定值,不能出现任何外泄漏。常用的阀门密封材料有聚四氟乙烯、丁腈橡胶和特殊合成橡胶等。

3.3强度选用要求

天然气管道中使用的阀门均要承受气体高压，除了考虑不同阀体的制造工艺差别和安全系数选用外，还要考虑生产施工中的实际工作情况,留出热胀冷缩的余量以及振动、地震等其他因素引起的阀门在管道上的压缩和弯曲变形等,所以应保证阀门的强度可以承受此类变形。

3.4寿命选用要求

由于天然气管网一旦建成就要连续工作，除了停气检查外，整个管网都在不断运行，一般主干线管道阀门使用寿命要>30 a[5]；所以，选用阀门的零部件应尽量采用维护需要少甚至不需要维护的结构来保证运行稳定。阀门是整个管网的薄弱环节,特别是对于一些易损件(如阀座和阀芯等)提出了很高的要求。对于这些易损件应尽量选用质量好,维护性能好的材料，以增长阀体寿命。

4常用天然气管网阀门的优缺点

本文选取几类常用的天然气管网阀门作为研究讨论对象，旨在针对现有的使用情况指出各自的优缺点。

4.1球阀

球阀是通过阀杆带动起闭件(球体)，并绕阀杆的轴线做旋转运动的阀门，主要用于截断或接通管路中的介质，特别适用于含纤维和微小固体颗料等的介质。球阀诞生于20世纪50年代，由于抛光等生产工艺及产品结构的不断改进，在短短的40年时间里，球阀已迅速发展成为一种主要的阀类。在工业发达的国家，球阀的使用正在逐年不断上升，在我国也有着广泛的应用[6]。

球阀具有下述优点：1)流体阻力小，全通径的球阀基本没有流阻；2)结构简单、体积小、质量小；3)紧密可靠，球阀有2个密封面，而且其密封面材料广泛使用了各种塑料，密封性好，能实现完全密封；4)操作方便，开闭迅速，高性能球阀从全开到全闭只要旋转90°,便于远距离控制；5)维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方便；6)在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时不会引起阀门密封面的侵蚀；7)阀体对称，尤其是焊接阀体结构能很好地承受来自管道的应力。进一步来讲，目前我国燃气管道使用的球阀按结构分为2种，一般根据压力等级和公称通径划分。当公称通径>DN200或压力级制较高的情况下，需用固定球结构，固定球阀在阀门全关时压在球体上的作用力传递到上、下2个球体支承轴上，减少了操作力矩；另外一种是浮动球阀，即球体在阀腔内可浮动，依靠两端的密封座压紧球体而稳定，这种球阀只能用于公称通径较小(<150 mm)或压力级制较低(<0.8 MPa)的场合，否则起闭扭矩会很大，造成操作困难。

4.2闸阀

闸阀是通过利用闸板的运动方向与流体方向相垂直而实现切断和开起阀门，其优点如下：1)流动阻力小，阀体内部在打开状态时介质通道是直通的，介质成直线流动；2)起闭时较省力，开关力相差不大，无论是开或闭，闸板运动方向均与介质流动方向相垂直；3)介质可向两侧任意方向流动，便于安装，闸阀通道两侧是对称的；4)形体简单,结构长度短，不必采用防止异常升压的特殊机构，制造工艺度好，适用范围广；5)结构紧凑，阀门刚度好，由于对密封面涂料要求较高，所以密封件质量较好，因此适用于多种场合。其缺点在于：1)由于使用螺旋线，导致结构尺寸与其他阀类相比较大；2)开起、关闭的操作过程较长，不利于紧急情况下使用；3)结构较为复杂，密封面容易出现漏滴且维修较为麻烦。

4.3旋塞阀

旋塞阀是一种以带通孔的塞体作为起闭件的阀门，通过塞体随阀杆转动实现起闭动作。旋塞阀的塞体多为圆锥体，与阀体的圆锥孔面配合组成密封副，同时旋塞阀也是使用最早的一种阀门，其优点包括：1)旋塞阀流体阻力小；2)结构简单，相对体积小，质量小；3)开关迅速，只需要拧1/4圈就可以实现起闭动作，适用于石油化工行业；4)无振动而且噪声小。然而，普通旋塞阀靠精加工的金属塞体与阀体间的直接接触来密封，所以密封性较差，起闭力大，容易磨损，因而通常只能用于低压(≤1 MPa)和小口径(<100 mm)的场合。同时，闸板在开起和关闭的过程中始终存在摩擦,因此操作扭矩大,并且在闸板及阀座密封面上易产生划痕,导致阀门泄漏。对于含有颗粒杂质的介质(如沙粒),沉积在阀门底部,使闸板无法完全关到位,会导致阀门的泄漏较为严重[7-8]。

5天然气管道阀门的发展方向

在使用方面，球阀因其优势，在阀门选择时仍为首选，在高压力的管道方面主要使用平板闸阀，而在天然气管道和场站控制中需要用旋塞阀来起到补充切断作用；同时，燃气紧急切断阀、调压器用紧急切断阀和燃气止回阀等更多专业的燃气阀将被广泛使用。在新材料方面，随着高分子材料科学技术的飞速发展以及高分子材料的应用领域日趋广泛，其质轻、耐腐蚀和加工工艺简单等优异特性日显突出，诸如PE材料的阀门必将成为日后发展的趋势。在设计方面，随着CAD、CAM和CAPP等计算机辅助设计方法的普及，燃气阀门的开发将更具有科学性，同时，基于上述技术的广泛应用，相较于传统设计方法，其设计周期将更短，设计成本将更低。在维护检测方面，常规的内漏检测方法如加压检测法和气泡检测法等均需拆卸阀体，在拆卸过程中易因操作不当而损坏球阀，从而延误生产，因此，新型的检测方法必然从带压检测入手，即在不停气的情况下而完成检测工作；另外，就维护而言，新材料的使用会减少维护次数，甚至不用维护，从而节约了后期成本。

6结语

燃气管道阀门作为天然气管道铺设中的关键部件,选用是否合理以及使用过程是否安全可靠决定了整个天然气管道的质量，因此，在实际设计时，应根据实际情况和潜在的各种影响因素综合分析,以保证管道阀门的设计质量；同时，也应当把握整个行业的趋势，积极使用新方法。

参考文献

[1] 张明涛.我国天然气市场研究[D].北京：中国石油大学,2007.

[2] 王勃.大型城市天然气管网建设特点探讨[J].天然气与石油,2011,29(4):12-14.

[3] 戴金星.中国天然气工业发展趋势和天然气地学理论重要进展[J].天然气地球科学,2005,16(2):127-129.

[4] 王师熙.城市天然气输配系统阀门的选用[J].煤气与热力,2006,26(5):4-6.

[5] 刘宪东.燃气阀门应用现状及选型初探[J].科技论坛,2007,12(2):108-109.

[6] 李铮.中国城镇燃气专业标准化综述[J].城市燃气,2002,324(2):11-13.

[7] 于政凯.天然气管道 SCHUCK 阀门的设计、结构解析及阀门维护[J].科技创新导报,2011,112(4):82-83.

[8] 屈书媛.燃气聚乙烯(PE)阀门应用浅析[J].上海煤气,2006,68(4):25-27.

责任编辑李思文

Research on Nature Gas Pipeline Valves

CHEN Haowei， CAI Xiaojun

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617,China)

Abstract:With the twenty-first Century outbreak of centralized energy, natural gas as a substitute for traditional energy sources plays an important role in all walks of life, the study on distribution equipment related to natural gas has been becoming more and more perfect. Natural gas pipeline valve is an important part of natural gas storage link, plays the seal gas pipeline, a number of mission off. In the related theory development today, people study the theory for the natural gas pipeline valve gradually, research new valve and related components to the market, and get the ideal use effect. In this paper, in view of the current natural gas pipeline was widely used in valve types summarized research, which aims to summarize previous experience and put forward reasonable suggestions from the perspective of the individual.

Key words:nature gas, pipeline, valves

收稿日期：2014-05-06

通信作者：蔡晓君

作者简介：陈昊炜(1992-)，男，大学本科，主要从事机械设计等方面的研究。

中图分类号：TS 737+.3

文献标志码：A