上海申弘閥門有限公司
1、前言
為了滿足我國對石油、天然氣需求的持續(xù)增長，在未來一段時間里，每年將興建幾千公里的大型長輸管線，包括增壓站、分輸站、大型儲備庫等油氣儲運項目。由于石油、天然氣易燃易爆的特殊性，對大型油氣儲運項目工程的質(zhì)量要求十分嚴格，對用于這些項目的管線球閥提出除了滿足API6D規(guī)范要求外，還要求閥門制造商提供第三方的防火認證，確保閥門的結(jié)構(gòu)是安全防火型的。目前，我國閥門制造商取得的防火證，大多是國外認證公司(如Lloyds'，TUV，ABS等)頒發(fā)，也有一部分是認證公司下設的檢驗公司頒發(fā)。部分閥門制造商將準備好的被試樣品送至認證公司火燒試驗臺進行火燒試驗，產(chǎn)品的泄漏量達到API6FA或API607標準規(guī)定的范圍，就頒發(fā)防火證書，被試樣品的結(jié)構(gòu)與提供發(fā)證備案的總裝圖是否一致沒有明確規(guī)定，被試樣品的來源沒有明確的確認，火燒試驗臺是否具有供第三方認證試驗所具備的資質(zhì)條件含糊其辭。這樣有些制造商雖取得了防火證，但實際生產(chǎn)的產(chǎn)品是否是真正安全防火型，難以另人信服。項目設計單位、業(yè)主工程技術(shù)部門對國內(nèi)一些球閥制造商生產(chǎn)的管線球閥能否安全防火常有質(zhì)疑。
管線球閥是固定球結(jié)構(gòu)形式，上游端密封為主密封，具有DBB功能，在密封完好的情況下，閥門在全開或全關(guān)狀態(tài)下，可以通過中腔排污口或放空口來觀察上游閥座是否存在泄漏。管線球閥在正常使用下，中腔不帶壓。在火災事故時，設計合理的閥座防火結(jié)構(gòu)，能夠減緩上游壓力介質(zhì)進入中腔的進度，避免因中腔升壓而引起介質(zhì)外漏和內(nèi)漏。具有良好的防火結(jié)構(gòu)設計的閥座，是保證管線球閥具有安全防火性能的主動措施。管線球閥的防火結(jié)構(gòu)設計中，閥座防火結(jié)構(gòu)的設計是關(guān)鍵，閥座的防火性能良好，在火災事故狀態(tài)下，可減輕閥桿防火結(jié)構(gòu)、閥體與左右體之間防火結(jié)構(gòu)設計的壓力。本文重點分析管線球閥在火災時發(fā)生泄漏的原因，對閥門的防火結(jié)構(gòu)進行探討。球閥主要用于接通或阻斷管路介質(zhì)，尤以用在要求迅速開閉的部位更佳，如應急卸荷等處。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量輕，密封性能好等優(yōu)點，應用日趨廣泛。結(jié)構(gòu)：主要由閥體、閥蓋、密封閥座、球體和閥桿等組成。帶孔的球體是球閥的問芯，球體受閥桿的轉(zhuǎn)動來控制啟閉，旋轉(zhuǎn)即是全程的開關(guān)。球閥可分為浮動球閥和固定球閥兩大類。浮動球閥的特點是球體可以自由浮動。根據(jù)密封座結(jié)構(gòu)不同又分為固定密封座和帶活動密封座兩種。固定密封閥座的浮動球閥，結(jié)構(gòu)如圖所示，在閥體內(nèi)裝有兩個氟塑制成的固定密封閥座，在兩間座之間夾緊一個由碳鋼或不銹鋼制成的浮動球，球體上有圓形通孔，開后時，通道打開；當閥桿轉(zhuǎn)動時，球孔垂直于閥門的通道，靠介質(zhì)的壓力將球體緊壓在后面的閥座上，保證閥門的密封。
球閥的主要選用原則
1、石油、天然氣的輸送主管線、需要清掃管線的，又需埋設在地下的，選用全通徑、全焊接結(jié)構(gòu)的球閥；埋設在地上的，選擇全通徑焊接連接或法蘭連接的球閥；支管，選用法蘭連接、焊接連接，全通徑或縮徑的球閥。
2、成品油的輸送管線和貯存設備，選用法蘭連接的球閥。
3、城市煤氣和天然氣的管路上，選用法蘭連接和內(nèi)螺紋連接的浮動球閥。
4、冶金系統(tǒng)中的氧氣管路系統(tǒng)中，宜選用經(jīng)過嚴格脫脂處理，法蘭連接的固定球球閥。
5、低溫介質(zhì)的管路系統(tǒng)和裝置上，宜選用加上閥蓋的低溫球閥。
6、煉油裝置的催化裂化裝置的管路系統(tǒng)上，可選用升降桿式球閥。
7、化工系統(tǒng)的酸堿等腐蝕性介質(zhì)的裝置和管路系統(tǒng)中，宜選用奧氏體不銹鋼制造的、聚四氟乙烯為閥座密封圈的全不銹鋼球閥。
8、冶金系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、石化裝置、城市供熱系統(tǒng)中的高溫介質(zhì)的管路系統(tǒng)或裝置上，可選用金屬對金屬密封球閥。
9、需要進行流量調(diào)節(jié)時，可選用蝸輪蝸桿傳動的、氣動或電動的帶V形開口的調(diào)節(jié)球閥。
球閥的優(yōu)點
1、具有低的流阻（實際上為零）。
2、因在工作時不會卡住（在無潤滑劑時），故能可靠地應用與腐蝕性介質(zhì)和低沸點液體中。
3、在較大地壓力和溫度范圍內(nèi)，能實現(xiàn)*密封。
4、可實現(xiàn)快速啟閉，某些結(jié)構(gòu)的啟閉時間僅為0.05～0.1s，以保證能用于試驗臺的自動化系統(tǒng)中?？焖賳㈤]閥門時，操作無沖擊。
5、球型關(guān)閉件能在位置上自動定位。
6、工作介質(zhì)在雙面上密封可靠。
7、在全開和全閉時，球體和閥座的密封面與介質(zhì)隔離，因此高速通過閥門的介質(zhì)不會引起密封面的侵蝕。
8、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，可以認為它時用于低溫介質(zhì)系統(tǒng)的合理的閥門結(jié)構(gòu)。
9、閥體對稱，尤其是焊接閥體結(jié)構(gòu)，能很好地承受來自管道的應力。
10、關(guān)閉件能承受關(guān)閉時的高壓差。
11、全焊接閥體的球閥，可以直埋于地下，使閥門內(nèi)件不受侵蝕，高使用壽命可達30年，是石油、天然氣管線的閥門。
由于球閥有上述優(yōu)點，所以適用范圍很廣，球閥可適用于：
1、公稱通徑從8mm到1200mm。
2、公稱壓力從真空到42MPa。
3、工作溫度從-204度~815度。
密封優(yōu)點
球閥主要的閥座密封圈材料就是聚四氟乙烯（PTFE），它對幾乎所有的化學物質(zhì)都是惰性的，且具有摩擦系數(shù)小、性能穩(wěn)定、不易老化、溫度適用范圍廣和密封性能優(yōu)良的綜合性特點。但聚四氟乙烯的物理特性，包括較高的膨脹系數(shù)，對冷流的敏感性和不良的熱傳導性，要求閥座密封的設計必須圍繞這些特性進行。閥座密封的塑性材料也包括填充聚四氟乙烯、尼龍和其他許多材料。但是，當密封材料變硬時，密封的可靠性就要受到破壞，特別是在低壓差的情況下。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。此外，像丁青橡膠這樣的合成橡膠也可用作閥座密封材料，但它所適用的介質(zhì)和使用的溫度范圍藥受到限制。另外，如果介質(zhì)不潤滑，使用合成橡膠容易卡住球體。為了滿足高溫、高壓、強沖蝕、長壽命等工業(yè)應用的使用要求，近十幾年來，金屬密封球閥得到了很大的發(fā)展。尤其在工業(yè)發(fā)達的國家，如美國、意大利、德國、戲班也、荷蘭等，對球閥的結(jié)構(gòu)不斷改進，出現(xiàn)全焊接閥體直埋式球閥、升降式球閥、使球閥在長輸管線、煉油裝置等工業(yè)領(lǐng)域的應用越來越廣泛，出現(xiàn)了大口徑（3050mm）、高壓力（70MPa）、寬溫度范圍（－196～815度）的球閥，從而使球閥的技術(shù)達到一個全新的水平。
2、閥座防火結(jié)構(gòu)設計的目的
閥座防火結(jié)構(gòu)設計的目的為：
(1)有效保證在火災事故時，上游壓力介質(zhì)盡可能少的通過閥座流入閥體中腔，從而引起內(nèi)漏和外漏。保證在消防隊員到達事故現(xiàn)場之前，不因閥門使火災事故擴大;在消防隊員到現(xiàn)場后，利用消防設備能夠快速壓住火勢，消除火災事故。
(2)真正使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)符合API6D規(guī)范的要求。使產(chǎn)品能通過火燒試驗，取得防火證書。
3、閥座防火結(jié)構(gòu)設計
在金屬閥座圈與閥體間設置石墨防火密封環(huán)；在金屬閥座圈與球體間設置防火金屬密封。結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖1 橡膠密封閥座結(jié)構(gòu)
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖2 塑料密封閥座結(jié)構(gòu)
火災后，所有橡膠件和塑料件的密封將失效，失火后的密封功能由石墨防火密封環(huán)和球座防火金屬密封實現(xiàn)?；馂那昂突馂暮蟮拿芊鈱φ杖鐖D3、4所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(a)正常密封狀態(tài)
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(b)火災后密封狀態(tài)
圖3 橡膠密封閥火災發(fā)生前后密封對比
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(a)正常密封狀態(tài)
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(b)火災后閥座密封狀態(tài)
圖4 塑料密封封火災前后閥座密封對比
4、閥座火災后泄漏原因分析
球閥閥座在正常情況下密封應無泄漏。在火災情況下，無論是橡膠密封閥座，還是塑料密封閥座所有橡膠件和塑料件密封性能失效，閥座將發(fā)生泄漏，此時，閥座防火結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)劣，直接影響閥門的防火性能。閥座泄漏途徑越少，泄漏量越少，閥門的防火性能越好。閥座泄漏途徑一般有3種情況：
(1)泄漏途徑1
閥座密封圈失效后，介質(zhì)通過閥座與球體之間的通道發(fā)生泄漏，如圖5所示。(2)泄漏途徑2
活塞效應密封圈失效后，介質(zhì)通過閥座注脂孔，在閥座與閥體之間的通道發(fā)生泄漏，如圖6所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(a)橡膠密封閥座
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(b)塑料密封閥座
圖6 活塞效應密封圈失效后泄漏示意
(3)泄露途徑3
活塞效應密封圈和擋脂密封圈失效后，介質(zhì)直接通過閥座與閥體之間的通道發(fā)生泄漏，如圖7所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(a)橡膠密封閥座
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
(b)塑料密封閥座
圖7 活塞效應密封圈和擋脂密封圈失效后泄漏示意
由以上分析可看出，閥座泄漏主要存在于閥座與閥體、閥座與球體之間，如何減少閥座泄漏途徑，成為閥座防火結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵。
閥座防火結(jié)構(gòu)設計原理是：在火災后，閥座的泄漏途徑越少，閥門的防火功能越好，防火結(jié)構(gòu)設計越合理;設計時在泄漏通道處分別設置石墨防火密封環(huán)和防火金屬密封的同時，石墨防火密封環(huán)的設置位置也至關(guān)重要。
設計不合理的防火石墨圈，仍不能有效改善閥門的防火功能，如圖8所示，石墨防火密封圈設置在閥座的尾部。雖然設置了石墨防火密封圈，但在活塞效應密封圈和閥座密封圈失效后，介質(zhì)仍可以通過閥座注脂孔在閥座與閥體之間通道發(fā)生泄漏，如圖6所示。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖8 設計不合理的閥座防火結(jié)構(gòu)示意
5、典型閥座防火結(jié)構(gòu)
目前國外專業(yè)管線球閥公司生產(chǎn)的球閥常見典型閥座結(jié)構(gòu)設計如圖9～12所示，各閥座結(jié)構(gòu)防火結(jié)構(gòu)設計均較為合理，能夠保證閥座活塞效應密封圈和閥座密封圈失效后，閥座泄漏途徑少。
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖9 橡膠密封閥座1
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖10 橡膠密封閥座2
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖11 橡膠與塑料組合密封閥座
管線球閥閥座防火結(jié)構(gòu)分析
圖12 塑料密封閥座
國內(nèi)球閥公司由于各廠球閥的技術(shù)水平、制造水平及工程實際經(jīng)驗的差異，閥座的防火結(jié)構(gòu)設計水平參差不齊，有的公司閥座無防火結(jié)構(gòu)設計或防火結(jié)構(gòu)設計不合理，專業(yè)的球閥制造廠閥座防火結(jié)構(gòu)設計與國外公司基本上無差別。
6、結(jié)語
合理的閥座防火結(jié)構(gòu)設計，可以保證上游壓力介質(zhì)通過閥座泄漏的途徑少，防火性能。在管線球閥的防火結(jié)構(gòu)設計時，應重點關(guān)注閥座的防火結(jié)構(gòu)設計。合理的閥座防火結(jié)構(gòu)是管線球閥在實際工程中具有安全防火的根本保證，考核防火結(jié)構(gòu)的合理性應嚴格按照API6FA/API607的規(guī)范進行火燒試驗，考核的樣品不應是制造商的送樣，應是驗證機構(gòu)的隨機抽樣，這樣才能保證第三方認證的合理性和公證性。 與本文相關(guān)的論文有：五陽煤礦應用閥門案例
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