管线球阀阀座防火结构分析

    1 前言

    为了满足我国对石油、天然气需求的持续增长，在未来一段时间里，每年将兴建几千公里的大型长输管线，包括增压站、分输站、大型储备库等油气储运项目。由于石油、天然气易燃易爆的特殊性，对大型油气储运项目工程的质量要求十分严格，对用于这些项目的管线球阀提出除了满足API6D规范要求外，还要求阀门制造商提供第三方的防火认证，确保阀门的结构是安全防火型的。

    目前，我国阀门制造商取得的防火证，大多是国外认证公司（如Lloyds'，TUV，ABS等）颁发，也有一部分是认证公司下设的检验公司颁发。部分阀门制造商将准备好的被试样品送至认证公司指定火烧试验台进行火烧试验，产品的泄漏量达到API6FA或API607标准规定的范围，就颁发防火证书，被试样品的结构与提供发证备案的总装图是否一致没有明确规定，被试样品的来源没有明确的确认，火烧试验台是否具有供第三方认证试验所具备的资质条件含糊其辞。这样有些制造商虽取得了防火证，但实际生产的产品是否是真正安全防火型，难以另人信服。项目设计单位、业主工程技术部门对国内一些球阀制造商生产的管线球阀能否安全防火常有质疑。

    管线球阀是固定球结构形式，上游端密封为主密封，具有DBB功能，在密封完好的情况下，阀门在全开或全关状态下，可以通过中腔排污口或放空口来观察上游阀座是否存在泄漏。管线球阀在正常使用下，中腔不带压。在火灾事故时，设计合理的阀座防火结构，能够减缓上游压力介质进入中腔的进度，避免因中腔升压而引起介质外漏和内漏。具有良好的防火结构设计的阀座，是保证管线球阀具有安全防火性能的主动措施。

    管线球阀的防火结构设计中，阀座防火结构的设计是关键，阀座的防火性能良好，在火灾事故状态下，可减轻阀杆防火结构、阀体与左右体之间防火结构设计的压力。本文重点分析管线球阀在火灾时发生泄漏的原因，对阀门的防火结构进行探讨。

    2 阀座防火结构设计的目的

    阀座防火结构设计的目的为：

    （1）有效保证在火灾事故时，上游压力介质尽可能少的通过阀座流入阀体中腔，从而引起内漏和外漏。保证在消防队员到达事故现场之前，不因阀门使火灾事故扩大；在消防队员到现场后，利用消防设备能够快速压住火势，消除火灾事故。

    （2）真正使产品的结构符合API6D规范的要求。使产品能通过火烧试验，取得防火证书。

    3 阀座防火结构设计

    在金属阀座圈与阀体间设置石墨防火密封环；在金属阀座圈与球体间设置防火金属密封。结构如图1、2所示。

图1 橡胶密封阀座结构

图2 塑料密封阀座结构

    火灾后，所有橡胶件和塑料件的密封将失效，失火后的密封功能由石墨防火密封环和球座防火金属密封实现。火灾前和火灾后的密封对照如图3、4所示。

（a）正常密封状态

（b）火灾后密封状态

图3 橡胶密封阀火灾发生前后密封对比

（a）正常密封状态

（b）火灾后阀座密封状态

图4 塑料密封封火灾前后阀座密封对比

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    4 阀座火灾后泄漏原因分析

    球阀阀座在正常情况下密封应无泄漏。在火灾情况下，无论是橡胶密封阀座，还是塑料密封阀座所有橡胶件和塑料件密封性能失效，阀座将发生泄漏，此时，阀座防火结构设计的优劣，直接影响阀门的防火性能。阀座泄漏途径越少，泄漏量越少，阀门的防火性能越好。阀座泄漏途径一般有3种情况：

    （1）泄漏途径1

    阀座密封圈失效后，介质通过阀座与球体之间的通道发生泄漏，如图5所示。

（a）橡胶密封阀座

（b）塑料密封阀座

图5 塑料密封与球体之间的泄漏

    （2）泄漏途径2

    活塞效应密封圈失效后，介质通过阀座注脂孔，在阀座与阀体之间的通道发生泄漏，如图6所示。

（a）橡胶密封阀座

（b）塑料密封阀座

图6 活塞效应密封圈失效后泄漏示意

    （3）泄露途径3

    活塞效应密封圈和挡脂密封圈失效后，介质直接通过阀座与阀体之间的通道发生泄漏，如图7所示。

（a）橡胶密封阀座

（b）塑料密封阀座

图7 活塞效应密封圈和挡脂密封圈失效后泄漏示意

    由以上分析可看出，阀座泄漏主要存在于阀座与阀体、阀座与球体之间，如何减少阀座泄漏途径，成为阀座防火结构设计的关键。

    阀座防火结构设计原理是：在火灾后，阀座的泄漏途径越少，阀门的防火功能越好，防火结构设计越合理；设计时在泄漏通道处分别设置石墨防火密封环和防火金属密封的同时，石墨防火密封环的设置位置也至关重要。

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    设计不合理的防火石墨圈，仍不能有效改善阀门的防火功能，如图8所示，石墨防火密封圈设置在阀座的尾部。虽然设置了石墨防火密封圈，但在活塞效应密封圈和阀座密封圈失效后，介质仍可以通过阀座注脂孔在阀座与阀体之间通道发生泄漏，如图6所示。

图8 设计不合理的阀座防火结构示意

    5 典型阀座防火结构

    目前国外专业管线球阀公司生产的球阀常见典型阀座结构设计如图9～12所示，各阀座结构防火结构设计均较为合理，能够保证阀座活塞效应密封圈和阀座密封圈失效后，阀座泄漏途径最少。

图9 橡胶密封阀座1

图10 橡胶密封阀座2

图11 橡胶与塑料组合密封阀座

图12 塑料密封阀座

    国内球阀公司由于各厂球阀的技术水平、制造水平及工程实际经验的差异，阀座的防火结构设计水平参差不齐，有的公司阀座无防火结构设计或防火结构设计不合理，专业的球阀制造厂阀座防火结构设计与国外公司基本上无差别。

    6 结语

    合理的阀座防火结构设计，可以保证上游压力介质通过阀座泄漏的途径最少，防火性能最好。在管线球阀的防火结构设计时，应重点关注阀座的防火结构设计。合理的阀座防火结构是管线球阀在实际工程中具有安全防火的根本保证，考核防火结构的合理性应严格按照API6FA/API607的规范进行火烧试验，考核的样品不应是制造商的送样，应是验证机构的随机抽样，这样才能保证第三方认证的合理性和公证性。