长输管道球阀的密封性研究及选型建议

2016-07-21黄恩涛高晞光姬广鹏中国石油管道公司河北廊坊065000

工业技术创新 2016年2期

黄恩涛，高晞光，姬广鹏（中国石油管道公司，河北廊坊，065000）

长输管道球阀的密封性研究及选型建议

黄恩涛，高晞光，姬广鹏
（中国石油管道公司，河北廊坊，065000）

摘要：首先对双活塞效应阀座及自泄式阀座的设计原理进行了分析，在此基础上对长输管道应用的两种不同类型（DIB-1、DIB-2）的双隔离与排放球阀进行了比较，并结合实际生产经验，总结提出了管道球阀在选型应用中的注意事项及建议：输气管道分输站场中的球阀取消阀体安全泄放阀；输油管道球阀应根据阀门工艺位置及功能确定安装方向；对于稳定加热输送的热油管道，建议选择使用DIB-1型球阀以增强阀门密封性能。

关键词：球阀；密封；双活塞效应；自泄；双隔离与排放；选型

引言

管道球阀作为管输系统中的重要组成部分，是长输管道中使用最广泛、用量最大的设备，同时也是出现问题最多的设备［1］。管道球阀在管输系统中主要起隔断作用，要求具有较好的密封性，不能存在内漏，而阀门内漏等各类故障与阀门密封原理密切相关，有必要对长输管道阀门密封原理开展研究，指导阀门的选型、安装、维护保养等工作。

1 球阀整体结构

球阀按照球体的固定方式可分为浮动式球阀和固定式球阀。浮动式球阀在大压差条件下开启时需要较大的工作扭矩，较少使用在大管径、高压的长输管道，而固定球阀在输油气管道中广泛应用。管道球阀球体通常为圆球结构，位置固定，球体上下转轴被分别固定在球体的轴承中，管道输送介质在球体上产生的作用力会全部传递给轴承，阀座不会承受过大压力，球阀球体也不会发生横向位移，因此，固定式球阀操作力矩相对较小［2］。由于清管需要，管道球阀一般选用全通径球阀。

固定球阀一般会设置二重或三重密封。第一重为金属结构硬密封，防止流体中的杂质及颗粒划伤密封面，同时确保阀门在失火状态下的密封，满足防火要求［3］。第二道密封又称作软密封，其密封材料主要有聚四氟乙烯、尼龙、氟橡胶等，少数阀门厂家会设计第三道密封以增强球阀密封性能。

2 球阀的密封原理与类型

2.1 阀座密封原理

固定式球阀阀座分为双活塞效应阀座和自泄式（也称单活塞效应）阀座。双活塞效应阀座能抵抗来自阀腔或管道侧的压力而保证双向密封，而自泄式阀座只能抵抗管道侧压力实现单向密封，但当阀腔承压时可实现阀腔自动泄压功能，避免阀体超压破裂的风险［4］。

阀座的两种密封设计与其受力情况密切相关，假设阀座受到的合力为FR，阀座弹簧力为FF，流体对阀座的作用力为F△A，阀座管线侧与流体接触面积为Aa，阀座阀腔侧与流体接触面积为Ai，管线内流体压力为P，则无论阀腔是否带压，阀座的受力情况为：

双活塞效应阀座受力分析。当阀腔不承压时，球阀腔内没有压力，由于此时Aa＞Ai，流体对阀座的作用力为F△A指向阀腔侧，如图1所示，合力FR方向指向阀腔侧，合力FR将迫使阀座密封圈向阀体靠近做挤压移动，尽管这种位移非常微小，只有千分之几英寸，但足以使阀座密封圈和阀体之间形成有效的密封。根据受力分析，介质压力P越大，合力FR越大，阀门密封效果越好。如果球阀阀腔承压，在这种情形下A'a＞A'i，流体对阀座的作用力为F'△A也指向阀腔侧，如图2所示，合力F'R的方向指向阀腔侧，迫使阀座密封圈挤压阀体形成密封。这时同样阀腔介质压力P越大，合力F'R也越大，密封效果也越明显。通过上述分析可知，双活塞效应的阀座无论阀腔是否带压，阀座总能和球体紧密接触而实现密封。

图1 阀腔不承压时双活塞效应阀座的受力情况

图2 阀腔承压时双活塞效应阀座的受力情况

自泄式阀座受力分析。当球阀阀腔不承压时，自泄式阀座的密封原理同双活塞效应阀座的密封原理相同。当阀腔承压，阀腔内流体压力超过管线流体压力时，由于自泄式阀座结构不同于双活塞效应阀座，此时A"a＜A"i，管线内流体对阀座的作用力F"△A指向管道侧，与弹簧对阀座作用力方向相反，如图3所示，随着阀腔内流体压力P的增大，当流体对阀座的作用力F"△A大于弹簧作用力F"F时，阀座受到的合力F"R指向管道侧，迫使阀座密封圈与球体脱离并向管线侧进行移动形成空隙，阀腔内的压力得到泄放。由此可知，自泄式阀座只具备管道侧指向阀腔侧的单向密封性能，但阀腔超压时能够实现自泄压功能。

图3 阀腔内介质压力超过管线介质压力时自泄式阀座的受力情况

2.2 管道球阀密封类型比较

气管道干线球阀通常选用双隔离与排放（DIB）球阀，双隔长输油离与排放球阀又分为1型（ DIB-1）和2型（ DIB-2）两种［5］。DIB-1型球阀目前应用于输气管道工程较多［6］，DIB-2型球阀则在输油管道应用广泛。

DIB-1、DIB-2类型球阀结构上的区别在于两个阀座不同的组合型式［7］。DIB-1型管线球阀的两个阀座均为双活塞效应的阀座，因此，阀门两个阀座均具备双向密封功能，无安装方向要求，在任意一侧阀座受损失效后，其另一侧阀座仍然可以保证球阀具备双向密封功能，但当截留在阀腔的介质为液体的情况下，需要在阀体配置安全泄放阀以保证阀体不会因介质膨胀导致超压。DIB-2型管线球阀一个阀座为自泄式阀座，另一个阀座为双活塞效应的阀座，为非对称结构，有安装方向要求，阀腔压力可通过自泄阀座向管道侧自动释放，不需要在阀体配置安全泄放阀。当双活塞效应阀座受损失效后，其自泄式阀座只具备管道侧指向阀腔侧的单向密封功能，故DIB-2型管线球阀的密封性能要低于DIB-1型阀门。

3 管道球阀选型建议

（1）输气管线分输站场中的DIB-1型球阀阀体取消安全泄放阀配置。阀体设置安全阀的目的是防止截留在阀门阀腔的气体膨胀超压，但通过理论分析，在输气管线分输站场中，温度的变化远不足以导致阀门阀腔膨胀超压，并且阀体上配置安全阀实际上是增加了一个潜在泄漏点［8］，同时安全阀需要定期年检，增加了管道运行单位的设备维护工作量。阀门阀体是否设置安全阀要通过理论计算阀腔是否存在超压而确定，针对输气管线分输站场中的DIB-1型球阀而言，安全泄放阀起不到阀腔超压保护功能，建议用户在技术规格书中细化技术条件，取消安全阀配置。

（2）输油管道D I B-2型球阀应根据阀门工艺位置及功能确定安装方向。对于过滤器、流量计、调节阀两端截断球阀，靠近过滤器、流量计、调节阀一侧应为双活塞效应的阀座，远离过滤器、流量计、调节阀的另一侧为自泄式阀座，其目的是保证过滤器清洗、流量计检定、调节阀检修期间，每个截断球阀具备两道密封功能，保证作业安全，如果安装方向相反，截断球阀只能一道密封，留下设备隐患。

（3）对于常年稳定加热输送的输油管道，建议考虑使用DIB-1型阀门。输油管道通常选用DIB-2型阀门是因为其通过自泄式阀座具备阀腔自泄压功能，但阀门密封性能比DIB-1型阀门较差。对于运行工况稳定的热油管道，因输送工艺的需要，管道内介质的温度变化不大，不存在阀腔超压的可能性，阀门选型上若选择DIB-1型阀门，阀门较DIB-2型阀门增加了一道密封，减少阀门内漏几率，即使阀腔出现超压情况，也可通过在阀体设置安全泄压阀泄压，保证设备安全。

（4）建议阀门厂家在球阀阀体上标注阀门两端密封座的密封类型。因为阀门两端的密封型式不仅涉及到输油、输气阀门选型上的差异，也涉及到输油管道阀门安装方向的确定。为了给施工单位及运营单位提供便利，无论何种类型的阀门，建议阀门厂家在阀体标注球阀两端密封座的密封类型。

4 结论

管道球阀在长输油气管道工程中应用广泛，而密封可靠性是管道球阀最重要的性能。长输油气管道通常选用DIB-1、DIB-2两种不同类型的球阀，两者区别在于不同阀座型式的组合。阀门选型应用方面应结合不同的工艺生产运行条件，在保证安全的条件下选择应用密封性能优良的球阀类型。

参考文献

［1］张立忠，张盟，许琛琛等.油气管道工程中阀门启用理念的探究［J］.油气储运，2008，27（9）：48.

［2］朱喜平.天然气管道球阀的，机构特点及使用中需要注意的问题［J］.上海煤气，2008，25（7）：26.

［3］唐小江，刘栗萌，王双喜等.管线球阀阀座防火结构分析［J］.流体机械，2010：38（6）：51.

［4］朱喜平，郭存杰，付京晶等.长输天然气管道球阀的结构特点与应用［J］.管道技术与设备，2008，（3）：36-37.

［5］API 6D.Petroleum and natural gas industries-Pipeline transportation-pipeline valves［S］.Washington DC；API Publishing

［6］Services，2014.刘峰，刘志广，朱坤峰.西气东输工程线路截断阀设置与选型［J］.石油规划设计，2001，12（2）：9.黄俊.API6D DBB及DIB型管线阀门结构特征解析［J］.装备制造技术：2011，16（7）：175-176.邱晓来.API6D规范及管线阀门设计与试验几个问题的探讨［J］.通用机械，2011，10（1）：63.

Sealing Research of Pipeline Ball Valve and Lectotype Proposals

Entao Huang， Xiguang Gao，Guangpeng Ji
（PetroChina Pipeline Company， Lang Fang， Hebei， 065000， China）

Abstract：Two different seal mechanism of ball valve seats， double piston effect and self relief， were analyzed.Based on this analysis， different types of pipeline valves， including DIB-1 and DIB-2， were also studied relatively.Combing the actual production， relevant recommendation is put forward in terms of device configuration and installation：（1） The safety relief valve should be cancelled in gas distribution pipeline valves；（2）The valve installation direction should be determined by process function in oil pipeline；（3） For steady heated oil pipeline， the use of DIB-1 type valves should be considered to enhance sealing property；（4） It should be favorable to indicate the type of each valve seat seal on the valve body.

Key words：Ball valve； Seal； Double piston effect； Self relief； DIB； Lectotype

中图分类号：TE974

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-115-04

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.004

作者简介：