管道電動球閥作為管輸系統(tǒng)中的重要組成部分, 是長輸管道中使用最廣泛、用量最大的設(shè)備, 同時也是出現(xiàn)問題最多的設(shè)備。管道球閥在管 輸系統(tǒng)中主要起隔斷作用,要求具有較好的密 封性,不能存在內(nèi)漏,而閥門內(nèi)漏等各類故障 與閥門密封原理密切相關(guān),有必要對長輸管道 閥門密封原理開展研究,指導(dǎo)閥門的選型、安裝、維護保養(yǎng)等工作。

電動球閥按照球體的固定方式可分為浮動式球閥和固定式球閥。浮動式球閥在大壓差條件下 開啟時需要較大的工作扭矩,較少使用在大管 徑、高壓的長輸管道,而固定球閥在輸油氣管 道中廣泛應(yīng)用。管道球閥球體通常為圓球結(jié)構(gòu),位置固定,球體上下轉(zhuǎn)軸被分別固定在球 體的軸承中,管道輸送介質(zhì)在球體上產(chǎn)生的作 用力會全部傳遞給軸承,閥座不會承受過大壓 力,球閥球體也不會發(fā)生橫向位移,因此,固 定式球閥操作力矩相對較小。由于清管需要, 管道球閥一般選用全通徑球閥。

固定球閥一般會設(shè)置二重或三重密封。第一 重為金屬結(jié)構(gòu)硬密封,防止流體中的雜質(zhì)及顆 粒劃傷密封面,同時確保閥門在失火狀態(tài)下的 密封,滿足防火要求。第二道密封又稱作軟密 封,其密封材料主要有聚四氟乙烯、尼龍、氟橡 膠等,少數(shù)閥門廠家會設(shè)計第三道密封以增強 球閥密封性能。

2.1 閥座密封原理

固定式球閥閥座分為雙活塞效應(yīng)閥座和自泄 式(也稱單活塞效應(yīng))閥座。雙活塞效應(yīng)閥座能抵抗來自閥腔或管道側(cè)的壓力而保證雙向密封,而自泄式閥座只能抵抗管道側(cè)壓力實現(xiàn)單 向密封,但當閥腔承壓時可實現(xiàn)閥腔自動泄壓 功能,避免閥體超壓破裂的風(fēng)險。

閥座的兩種密封設(shè)計與其受力情況密切相 關(guān),假設(shè)閥座受到的合力為FR,閥座彈簧力為 FF,流體對閥座的作用力為F△A,閥座管線側(cè) 與流體接觸面積為Aa,閥座閥腔側(cè)與流體接觸 面積為Ai,管線內(nèi)流體壓力為P,則無論閥腔是 否帶壓,閥座的受力情況為:

(1) 雙活塞效應(yīng)閥座受力分析。當閥腔不承壓 時,球閥腔內(nèi)沒有壓力,由于此時Aa>Ai,流 體對閥座的作用力為F△A指向閥腔側(cè),如圖1所 示,合力FR方向指向閥腔側(cè),合力FR將迫使閥 座密封圈向閥體靠近做擠壓移動,盡管這種位 移非常微小,只有千分之幾英寸,但足以使閥 座密封圈和閥體之間形成有效的密封。根據(jù)受 力分析,介質(zhì)壓力P越大,合力FR越大,閥門密 封效果越好。

如果球閥閥腔承壓,在這種情形 下A'a>A'i,流體對閥座的作用力為F'△A也指 向閥腔側(cè),如圖2所示,合力F'R的方向指向閥腔側(cè),迫使閥座密封圈擠壓閥體形成密封。這時同樣閥腔介質(zhì)壓力P越大,合力F'R也越大, 密封效果也越明顯。通過上述分析可知,雙活 塞效應(yīng)的閥座無論閥腔是否帶壓,閥座總能和 球體緊密接觸而實現(xiàn)密封。

自泄式閥座受力分析。當球閥閥腔不承壓 時,自泄式閥座的密封原理同雙活塞效應(yīng)閥座 的密封原理相同。當閥腔承壓,閥腔內(nèi)流體壓 力超過管線流體壓力時,由于自泄式閥座結(jié)構(gòu) 不同于雙活塞效應(yīng)閥座,此時A"a<A"i,管線 內(nèi)流體對閥座的作用力F"△A指向管道側(cè),與彈 簧對閥座作用力方向相反,如圖3所示,隨著閥 腔內(nèi)流體壓力P的增大,當流體對閥座的作用力 F"△A大于彈簧作用力F"F時,閥座受到的合力 F"R指向管道側(cè),迫使閥座密封圈與球體脫離并 向管線側(cè)進行移動形成空隙,閥腔內(nèi)的壓力得 到泄放。由此可知,自泄式閥座只具備管道側(cè) 指向閥腔側(cè)的單向密封性能,但閥腔超壓時能 夠?qū)崿F(xiàn)自泄壓功能。

2.2 管道電動球閥密封類型比較

氣管道干線球閥通常選用雙隔離與排放 (DIB)球閥,雙隔長輸油離與排放球閥又分為 1型( DIB-1)和2型( DIB-2)兩種[5]。DIB-1 型球閥目前應(yīng)用于輸氣管道工程較多[6],DIB-2 型球閥則在輸油管道應(yīng)用廣泛。

DIB-1、DIB-2類型球閥結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于 兩個閥座不同的組合型式。DIB-1型管線球閥 的兩個閥座均為雙活塞效應(yīng)的閥座,因此,閥 門兩個閥座均具備雙向密封功能,無安裝方向 要求,在任意一側(cè)閥座受損失效后,其另一側(cè) 閥座仍然可以保證球閥具備雙向密封功能,但 當截留在閥腔的介質(zhì)為液體的情況下,需要在 閥體配置安全泄放閥以保證閥體不會因介質(zhì)膨 脹導(dǎo)致超壓。DIB-2型管線球閥一個閥座為自泄 式閥座,另一個閥座為雙活塞效應(yīng)的閥座,為 非對稱結(jié)構(gòu),有安裝方向要求,閥腔壓力可通 過自泄閥座向管道側(cè)自動釋放,不需要在閥體 配置安全泄放閥。當雙活塞效應(yīng)閥座受損失效 后,其自泄式閥座只具備管道側(cè)指向閥腔側(cè)的 單向密封功能,故DIB-2型管線球閥的密封性能 要低于DIB-1型閥門。

(1)輸氣管線分輸站場中的DIB-1型球閥 閥體取消安全泄放閥配置。閥體設(shè)置安全閥的 目的是防止截留在閥門閥腔的氣體膨脹超壓, 但通過理論分析,在輸氣管線分輸站場中,溫 度的變化遠不足以導(dǎo)致閥門閥腔膨脹超壓,并且閥體上配置安全閥實際上是增加了一個潛在 泄漏點,同時安全閥需要定期年檢,增加了管 道運行單位的設(shè)備維護工作量。閥門閥體是否 設(shè)置安全閥要通過理論計算閥腔是否存在超壓 而確定,針對輸氣管線分輸站場中的DIB-1型 球閥而言,安全泄放閥起不到閥腔超壓保護功 能,建議用戶在技術(shù)規(guī)格書中細化技術(shù)條件, 取消安全閥配置。

(2)輸油管道DIB-2型球閥應(yīng)根據(jù)閥門 工藝位置及功能確定安裝方向。對于過濾器、 流量計、調(diào)節(jié)閥兩端截斷球閥,靠近過濾器、 流量計、調(diào)節(jié)閥一側(cè)應(yīng)為雙活塞效應(yīng)的閥座, 遠離過濾器、流量計、調(diào)節(jié)閥的另一側(cè)為自泄 式閥座,其目的是保證過濾器清洗、流量計檢 定、調(diào)節(jié)閥檢修期間,每個截斷球閥具備兩道 密封功能,保證作業(yè)安全,如果安裝方向相 反,截斷球閥只能一道密封,留下設(shè)備隱患。

(3)對于常年穩(wěn)定加熱輸送的輸油管道, 建議考慮使用DIB-1型閥門。輸油管道通常選用 DIB-2型閥門是因為其通過自泄式閥座具備閥腔 自泄壓功能,但閥門密封性能比DIB-1型閥門較 差。對于運行工況穩(wěn)定的熱油管道,因輸送工 藝的需要,管道內(nèi)介質(zhì)的溫度變化不大,不存 在閥腔超壓的可能性,閥門選型上若選擇DIB-1 型閥門,閥門較DIB-2型閥門增加了一道密封, 減少閥門內(nèi)漏幾率,即使閥腔出現(xiàn)超壓情況, 也可通過在閥體設(shè)置安全泄壓閥泄壓,保證設(shè) 備安全。

(4)建議閥門廠家在球閥閥體上標注閥 門兩端密封座的密封類型。因為閥門兩端的密 封型式不僅涉及到輸油、輸氣閥門選型上的差 異,也涉及到輸油管道閥門安裝方向的確定。 為了給施工單位及運營單位提供便利,無論何 種類型的閥門,建議閥門廠家在閥體標注球閥 兩端密封座的密封類型。

管道球閥在長輸油氣管道工程中應(yīng)用廣泛, 而密封可靠性是管道球閥最重要的性能。長輸 油氣管道通常選用DIB-1、DIB-2兩種不同類型 的球閥,兩者區(qū)別在于不同閥座型式的組合。

閥門選型應(yīng)用方面應(yīng)結(jié)合不同的工藝生產(chǎn)運行 條件,在保證安全的條件下選擇應(yīng)用密封性能 優(yōu)良的球閥類型。