黃恩濤，高晞光，姬廣鵬（中國石油管道公司，河北廊坊，065000）

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長輸管道球閥的密封性研究及選型建議

黃恩濤，高晞光，姬廣鵬
（中國石油管道公司，河北廊坊，065000）

摘 要：首先對雙活塞效應(yīng)閥座及自泄式閥座的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對長輸管道應(yīng)用的兩種不同類型（DIB-1、DIB-2）的雙隔離與排放球閥進(jìn)行了比較，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)提出了管道球閥在選型應(yīng)用中的注意事項(xiàng)及建議：輸氣管道分輸站場中的球閥取消閥體安全泄放閥；輸油管道球閥應(yīng)根據(jù)閥門工藝位置及功能確定安裝方向；對于穩(wěn)定加熱輸送的熱油管道，建議選擇使用DIB-1型球閥以增強(qiáng)閥門密封性能。

關(guān)鍵詞：球閥；密封；雙活塞效應(yīng)；自泄；雙隔離與排放；選型

引言

管道球閥作為管輸系統(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(shí)也是出現(xiàn)問題最多的設(shè)備［1］。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(hù)保養(yǎng)等工作。

1 球閥整體結(jié)構(gòu)

球閥按照球體的固定方式可分為浮動(dòng)式球閥和固定式球閥。浮動(dòng)式球閥在大壓差條件下開啟時(shí)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［2］。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(shí)確保閥門在失火狀態(tài)下的密封，滿足防火要求［3］。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(jì)第三道密封以增強(qiáng)球閥密封性能。

2 球閥的密封原理與類型

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(shí)現(xiàn)單向密封，但當(dāng)閥腔承壓時(shí)可實(shí)現(xiàn)閥腔自動(dòng)泄壓功能，避免閥體超壓破裂的風(fēng)險(xiǎn)［4］。

閥座的兩種密封設(shè)計(jì)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：

雙活塞效應(yīng)閥座受力分析。當(dāng)閥腔不承壓時(shí)，球閥腔內(nèi)沒有壓力，由于此時(shí)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(dòng)，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(shí)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(shí)現(xiàn)密封。

圖1 閥腔不承壓時(shí)雙活塞效應(yīng)閥座的受力情況

圖2 閥腔承壓時(shí)雙活塞效應(yīng)閥座的受力情況

自泄式閥座受力分析。當(dāng)球閥閥腔不承壓時(shí)，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(dāng)閥腔承壓，閥腔內(nèi)流體壓力超過管線流體壓力時(shí)，由于自泄式閥座結(jié)構(gòu)不同于雙活塞效應(yīng)閥座，此時(shí)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(dāng)流體對閥座的作用力F"△A大于彈簧作用力F"F時(shí)，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(jìn)行移動(dòng)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(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自泄壓功能。

圖3 閥腔內(nèi)介質(zhì)壓力超過管線介質(zhì)壓力時(shí)自泄式閥座的受力情況

2.2 管道球閥密封類型比較

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(gè)閥座不同的組合型式［7］。DIB-1型管線球閥的兩個(gè)閥座均為雙活塞效應(yīng)的閥座，因此，閥門兩個(gè)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(dāng)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(gè)閥座為自泄式閥座，另一個(gè)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(dòng)釋放，不需要在閥體配置安全泄放閥。當(dāng)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。

3 管道球閥選型建議

（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(yuǎn)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(shí)際上是增加了一個(gè)潛在泄漏點(diǎn)［8］，同時(shí)安全閥需要定期年檢，增加了管道運(yùn)行單位的設(shè)備維護(hù)工作量。閥門閥體是否設(shè)置安全閥要通過理論計(jì)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(hù)功能，建議用戶在技術(shù)規(guī)格書中細(xì)化技術(shù)條件，取消安全閥配置。

（2）輸油管道D I B-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(jì)、調(diào)節(jié)閥兩端截?cái)嗲蜷y，靠近過濾器、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥一側(cè)應(yīng)為雙活塞效應(yīng)的閥座，遠(yuǎn)離過濾器、流量計(jì)、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(jì)檢定、調(diào)節(jié)閥檢修期間，每個(gè)截?cái)嗲蜷y具備兩道密封功能，保證作業(yè)安全，如果安裝方向相反，截?cái)嗲蜷y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?yàn)槠渫ㄟ^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(yùn)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(biāo)注閥門兩端密封座的密封類型。因?yàn)殚y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(yùn)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(biāo)注球閥兩端密封座的密封類型。

4 結(jié)論

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(yùn)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。

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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

中圖分類號：TE974

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-115-04

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.004

作者簡介：

黃恩濤（1986-），男，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事長輸管道輸油氣站場設(shè)備管理工作。

E-mail： huangentao@163.com