管线球阀的结构特征与功能设计

管线球阀作为紧急切断阀，除了将流体切断之外，还有很多其他的功能需求，这些功能性的需求经过几十年的发展和改进，已具备较为统一的结构形式，这些结构形式和功能性设计是：固定球浮动阀座；组合密封功能的阀座；阀座单活塞致应设计—— 自排放功能；阀座双活塞效应设计——双重密封功 能；双截止-排放（DBB）功能；双隔离-排放（DIB）功能；腔体压力安全泄放；失火安全（fir^safe）;防静电；阀杆与密封座紧急状态下密封脂注射；驱动轴的安全设计与阀杆延伸；阀门的限位。

（1）固定球浮动阀座结构

所有管线球阀都是固定球浮动阀座（图3-38）的设计，球体绕球体的几何中心做开关90°角回转，保持回转中心不变，两个各自独立的浮动阀座，保证阀门在两个流体方向压差作用下的密封（bi-direction），

浮动阀座在弹簧加载下，即使在低的压差情况下，仍使阀门获得可靠的密封。

（2）组合密封功能的阀座

由于长输管线输送的原油和天然气不可能是洁净的，管道需要定期清管，而又要求在30年的服役期内确保密封的可靠性，这样就设计一个组合密封座来满足这一功能要求。其结构如图3-39所示。它是由金属阀座、塑料密封环、背弹簧、阀座与阀体之 间的橡胶密封环以及注脂喷嘴及其密封脂注入通道组成的，这一功能被描述为：金属阀座与球面金属对金属的硬密封，防止固体颗粒落入次级软密封； 塑料或橡胶的软密封，满足30年服役期密封可靠性要求；紧急情况下，例如软密封或球面出现划痕， 通过注脂喷嘴注入密封脂，满足紧急状态下临时密封的需要。

（3） 阀座单活塞效应设计——自排放功能

作为一种样本设计，阀座设计具有自泄放功能， 并称之为“单活塞效应”（single piston effect）设计。

这是一种截止型的阀座设计。对于这种情况，当进口 端管道压力高于腔体压力时，作用在阀座上的介质作用力，其合力是将阀座推向球体，如图3-40所示：A —OB—C。腔体压力高于出口端管道压力，作用在阀座上的介质力，其合力是将阀座推离球体，如图 3-40所示：D—E>D—F0这一种功能性设计zui终截止了上游端介质流动，而腔体压力大于出口端管线的压力时，并能克服下游端阀座的弹簧力，可自动泄放 （self-relieving）至出口端管道，这一功能称之为腔体压力异常升高时的自泄放功能。

（4） 阀座双活塞效应设计——双重密封功能

如果客户需要，阀座可以被设计成双活塞效应 （double piston effect）,这种设计不管管线压力高于腔体压力，或者腔体压力高于管道压力，均使介质对阀座产生的力使阀座推向球体，如图3-41所示：A— OB—C和D —£：>D —F。即阀座不管两端压差如 何，均能隔断阀门两端的介质流动，是一种隔离型阀座设计，对整个阀门而言，具有双重密封的效果，对于这一情况，当腔体压力升高时，阀体应具有外部压力泄放阀，防止其腔体超压。

双截止排放（DBB）功能和双隔离排放 （DIB）功能双截止-排放与双隔离-排放的功能是指对于一个

具有两个密封座的阀门，无论阀门处于开启状态或者关闭状态，腔体中充满压力，如底部的排污阀需要排放，进口端和出口端的阀座应该切断进口和出口的流体，以保证排放时的安全。如果设计的阀座是单向的，截止型阀座就是“双截止-排放”功能，英文名称为double brock and bleed,简称DBB功能。如果设计的阀座是隔离型阀座，即流体被隔离型阀座离隔，既不能从上下游流人腔体，也不能从腔体流向上下游，对于这一隔离型阀座的设计，这一功能称为 “双隔离排放” （double isolating and bleed），简称DIB功能，如图3-42所示，这一功能是保证操作工人打开底部排污阀排放时操作的安全。

（6） 腔体压力安全泄放

对于一个有两个密封座的阀门，腔体中可能有介质积聚，如果这种介质随温度升高而膨胀或相变，从而可能引起腔体压力升高，那么对于上下游阀座设计成隔离型阀座的，就是腔体压力不可能自身泄放至上下游管道的，应设置一个安全阀来泄放腔体内异常升高的压力， 以保证压力边界的完整。如图3-43所示，安全泄放阀的泄放压力不超过zui高工作温度其压力额定值的1.33倍。

（7） 失火安全

fi^safe—词的翻译为“失火安全”，并非“防 火”。其意义是要求阀门在遇到火灾时是安全的。安全是指其内，外泄漏量不超过API 607所规定允许值，在结构上为保证这一安全，在四个泄漏点上就有失火安全的设计。阀座的锥面与球面之间，一旦软密 封被烧毁应使锥面和球面金属对金属接触；阀座与阀体之间，除橡胶0形圈软密封之外，应有一个石墨密封圈；主副阀体之间，除橡胶0形圈之外，应设 置一个金属缠绕式垫片或者石墨垫；轴的填料处，应设置一个石墨密封环，这就是管线球阀的失火安全结构。

（8） 防静电结构设计

防静电结构是指具有两个非金属材料制造的密封座的球阀，球体转动可能产生静电的集聚，应及时与阀体导通。其方法是在轴的头部有一小孔，内置一个弹簧和钢球，使其与球体相接触，在轴杆的径向部位也有一小孔，内置一个弹簧和钢球，使其与填料函内壁相接触，这样球体上可能产生的静电导入阀体，而阀是接地的，如图3-44所示。

（9） 阀杆的密封

阀体与球是分离的，球轴上作用着介质的推力， 在轴肩处置一个平面轴承，由于介质作用在球上的力已被分离，作用在支承板上，轴只承受单一的转矩， 轴上无侧向力的作用，提高轴颈处密封的可靠性，采 用二级O形圈和石墨环密封结构（图3-45）。

（10） 紧急情况下阀杆与阀座密封脂的注入

当发现阀杆填料泄漏时，在填料箱侧面设置一个密封脂的注入接头，供密封脂注人来消除阀杆处的泄漏，结构如图3-46所示。

（11） 传动链的安全与开关位置限位

按照API 6D规定，传动链设计强度应按设计转矩或者实际测定同规格阀门转矩的2倍。而且传动链zui取薄弱的截面应在阀门的压力边界外面，阀门的开与关的位置应地限定。对于直埋地下的阀门，阀杆应被接长。图3-47所示是Velan公司的传动链——加长阀杆的设计，阀门的开关位置通过阀杆的键在外部连接板90°弧形凹槽中限定（图3-48）。

（12） 直埋地下

对于直埋地下的阀门（图3-49）除了阀杆被伸长到地表之外，所有的接管：注脂管、排污管、腔体压力泄放并引至地表，注脂阀、排污阀、压力泄放阀亦置于地表，并在阀前增加一只隔离阀。

（13） 硫化工况设计

对于硫化工况，可能产生应力腐蚀，特别是对于湿的硫化氢，这种材料的选用与制造满足NACE MR0175标准的要求，工艺与介质接触的零件，做材料硬度试验，符合标准要求。如果需要，供方应提供硫化物应力腐蚀SSC和氢致开裂HIC腐蚀试验报告。

来源：上海自动化仪表销售网（www.40017.net）

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