管线阀门的发展

摘  要：本文从管线工业发展需要，全面论述管线球阀的设计、制造、试验、标准与服务，数值仿真技术在设计制造中的应用以及国内外发展前景。 
关键词：管线球阀 球阀 
作  者： 高级工程师　邬佑靖

一、 前言
　　1914年，第一条9公里长的输油管线在美国中部建成，从此拉开管道工业发展的序幕。用管线来输送液体或气体，其成本是铁路运输的1/3，海上运输的2/3，所以近一百年来获得了迅速的发展。长距离输送管道称之谓长输管线，长输管线上使用的阀门称之谓管线阀门，有球阀、闸阀、止回阀、旋塞阀，是一种满足管道运输的特殊要求，具备特殊功能的专用阀门。对于球阀则称之谓管线球阀。规范管线球阀的技术标准是美国石油协会颁发的API规范6D《石油天然气工业－管道输送－管线阀门》，最新版本2000年1月颁布的第22版，以及1999年颁发的国际标准ISO14313-1999。
　　实际上管道工业的迅速发展是二十世纪五十年代的事，根据《Pipeline》杂志2000年统计，全世界已建成管线260万公里，其中输油管线80万公里，输气管线140万公里，其他石油化工产品输送管线40万公里。输油输气管线是一条能源供应线，是一条生命线，已遍布全球，并且每年仍以3万公里的速度递增。管线阀门的最高压力级PN42.0Mpa（Class2500），阀门最大通径60英寸（DN1500）。
　　世界上著名的长输管线如美国阿拉斯加到大西洋东海岸长岛的原油输送管线，穿过北极圈冻土层和美国五大湖的沼泽地；俄罗斯横贯西伯利亚的输油管线；地中海地区从阿尔及利亚经摩洛哥至西班牙的输气管线，全长2000公里，穿过沙漠，阿特拉斯山脉和直布罗陀海峡；在东南亚从菲律宾经马来西亚、爪哇、苏门答腊，至泰国全长6276公里输气管线，其中1094公里海底输气管线，等等。
　　球阀的结构可追溯到1904年，已有人申请了结构专利，但一直未获得商品化，它的发展也是20世纪50年代的事，这是由于1943年美国杜邦公司聚四氟乙烯塑料的发明，这种材料具有一定的弹性，自润滑性，优良的耐腐蚀性，十分适宜于作为阀门的密封材料。以及车球机、磨球机的进步。由于这种阀门是全通径、低流阻，十分适宜作为长输管线用阀，所以管线球阀已逐步取代管线闸阀、旋塞阀，是一种近50年来发展最快的一个阀门新品种。
　　二、 管线输送对管线球阀的严格要求
　　长输管线是全球性的，是一条能源供给线，从北极圈到赤道，从高山到海底，从高原到沙漠，其间穿过地震带、沼泽地、冻土层、江河、湖泊、山坡。有架设的，有直埋地下，在野外操作，维修困难，要求30年使用寿命。一般输送原油、天然气，虽经处理但含硫，含铁锈及金属颗粒，且要求零级密封，实际的使用环境恶劣和能源供给线的重要性，对管线球阀提出了严格的技术要求.
　　1、 强度和韧性
　　阀门除了承受内部介质压力之外，尚需承受地基承载，由于环境温度变化而引起的轴向拉力和压力，考虑滑坡，地面沉降，洪水而引起的外部载荷，在寒带及冰冻地区尚需考虑材料低温冲击韧性，防止低温脆性断裂。对于全焊接阀体球阀，焊缝及热影响区，需要按照断裂力学理论，考虑其断裂韧性（CTOD）
　　2、零级的密封要求
　　阀门要求零级密封，以确保对下游端管线的有效截断，考虑介质中金属颗粒对零级密封的影响，金属对金属密封作为初级密封,PTFE/橡胶对金属作为次级密封,以及一旦密封失效时应采取紧急密封措施。
　　3、具备失火安全和防静电功能；
　　管线球阀设计需考虑失火安全（fire safe）,一旦失火，阀门的外漏和内漏不能超过API607规定的泄漏标准；球体被非金属材料夹持，可能产生静电，必须与阀体导通，在24VDC下，电阻值<10欧姆。
　　4、DBB功能（Double Brock & Bleed）
　　在阀腔排泄时，上游端阀座和下游端阀座应同时自动切断，以确保排放时的安全。
　　5、防止阀腔压力的夹持；
　　无论阀门处于开启或关闭位置，均应防止介质在阀腔中被夹持，如果介质可能夹持，则对于气体介质或液体介质均要确保自动泄放阀腔内的压力，阀腔压力泄放的最大值不超过阀压力额定值的1.33倍，外部压力泄放阀的口径为DN15或更大。
　　6、排泄
　　阀腔的介质可以排泄；并通过此排泄孔对阀门进行在线密封检测。
　　7、位置指示
　　无论手动或动力驱动，要有明显的阀位指示表明阀门处于开启位置或关闭位置；
　　8、传动链
　　传动链的设计扭矩至少应为球阀最大扭矩的2倍。
　　9、硫化工况
　　承压部件及螺栓材料应具有抗应力裂化的能力，符合NACE,MR 0175要求.
　　10、紧急切断功能
　　长距离管道输送系统采用卫星监控系统（SCADA System），当管线压降速率或持续时间达到某一设定值，阀门应紧急切断；
　　11、考虑地下水的电位腐蚀和应力腐蚀.
　　采用全焊阀体结构，管道阴极接地和外表面防腐，来防止电位腐蚀和应力腐蚀。