近年來，隨著能源結(jié)構(gòu)及能源區(qū)域重點的調(diào)整，我國石油、天然氣管線取得了飛速的發(fā)展。在以西氣東輸一線、二線為代表的管線工程建設(shè)中，其開關(guān)調(diào)節(jié)閥門很多都是采用上成熟應(yīng)用的全焊接球閥。由于國內(nèi)近幾年全焊接球閥的需求量很大，極大地推動了我國全焊接球閥技術(shù)的進步，同時由于我國的管路系統(tǒng)對壓力、材料和環(huán)境的要求都比較高，因此也對全焊接球閥提出了更高的要求。目前長輸管線對球閥的要求是：受力均勻、密封可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強度高等。

    本文通過對全焊接球閥的制造過程及焊接過程的介紹，以期為行業(yè)發(fā)展提供參考。

    1 全焊接球閥的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

    本文介紹的全焊接球閥采用球形單一焊縫，施焊采用全自動焊接工藝。該球閥具有受力均勻、密封可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、強度高等特點，是技術(shù)性和經(jīng)濟性兼?zhèn)涞墓芫€球閥，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外，并打破了國內(nèi)管線閥門以筒形制造為主的格局。

    1.1 球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計

    本文所述的全焊接球閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種球閥跟傳統(tǒng)的三段式球閥zui大的區(qū)別就是封閉球體的方式采用焊接方式。因此在焊接過程中內(nèi)外襯都很重要。此外，球閥在管線上的安裝也是采用焊接連接的方式。

圖1 全焊接球閥

    閥座密封構(gòu)造一般為二重密封，即上游和下游二重密封。閥座嵌入圈具有優(yōu)良的耐腐性、耐磨性和良好的彈性，具有高度的密封性能。閥座的構(gòu)造如圖2所示。

圖2 閥座的構(gòu)造

    閥座二重密封構(gòu)造的原理如下所述。

    （1）上游側(cè)閥座的密封原理：因上游圧力，閥座受球擠壓形成密封，如圖3所示。閥座所受壓力F_上為：

圖3 上游密封原理

    式中p——管內(nèi)壓力；

    F_s——彈簧力。

    （2）下游側(cè)閥座的密封原理：閥座因閥體內(nèi)的壓力受球擠壓形成密封，如圖4所示。所受壓力F_下為：

圖4 下游密封原理

    式中p——管內(nèi)壓力；

    F_s——彈簧力。

閥桿的密封采用抗旋轉(zhuǎn)性強的G-T（氟化橡膠和聚四氟乙烯）密封圈，進行上下二重密封。二重密封圈之間可以注入緊急密封脂， 用以緊急修復(fù)。閥桿的密封結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 閥桿密封結(jié)構(gòu)

    1.2 球閥的使用和維護

    閥座一旦需要緊急修復(fù)，可以通過圖6所示的方式對其進行修復(fù)，而不需要破壞焊接結(jié)構(gòu)。閥體內(nèi)部的零件（球、閥座圈等）產(chǎn)生的靜電通過彈簧、墊圈向閥體放電。從操作性角度看，因有耳軸支撐，可以用較小的力進行操作。耳軸部采用摩擦阻力小的聚四氟乙烯軸承。閥座為浮動閥座，閥座受球擠壓的力相對于流體壓力來說，數(shù)值較小。    

圖6 閥座緊急修復(fù)示意圖    

    維護管理方面，球閥一般不需做維護和保養(yǎng)。萬一密封部位發(fā)生泄漏，可注入密封脂進行緊急修復(fù)。閥座和閥桿密封的緊急修復(fù)，使用IKSS－3L密封脂。

    2 全焊接球閥的制造

    2.1 球閥主要構(gòu)件的材料

    （1）閥體主要使用鍛件；

    （2）球體主要使用表面處理后的鍛件；

    （3）閥座圈使用18Cr-8Ni不銹鋼鍛件；

    （4）閥桿需要進行表面處理；

    （5）密封材料主要有環(huán)氧氯丙烷橡膠。

    2.2 焊接材料及焊接工藝

    球閥的焊接過程全部使用全自動焊接。

    （1）閥體焊接

    GTAW（鎢極氣體保護焊）+SAW（埋弧焊）

    （2）閥桿焊接

    GTAW（鎢極氣體保護焊）+GMAW（熔化極氣體保護焊）

    （3）接管焊接

    GTAW（鎢極氣體保護焊）+SAW（埋弧焊）

    3 全焊接球閥的檢測

    由于全焊接球閥的安裝是直接焊接在管線上的，因此其需要進行的檢測項目也與普通球閥有很大的區(qū)別。比較特殊的檢測要求有如下幾個方面。

    3.1 彎曲試驗

    球閥的彎曲試驗?zāi)M管線在不同的沉降區(qū)域發(fā)生了管線撓曲，試驗過程如圖7所示。

圖7 彎曲試驗過程

    試驗方法：（1）連接閥門，施加4200kN·m的彎矩，測量閥門和管道的應(yīng)力。（2）在空氣介質(zhì)公稱工作壓力下測試閥門的密封性能。（3）測量閥門的開啟和關(guān)閉扭矩。

    試驗合格判定依據(jù)：（1）閥門各部位的應(yīng)力在屈服強度以下。 （2） 無外部泄漏、閥座泄漏。（3）操作扭矩?zé)o異常。
3.2 閥門拉伸和壓縮試驗

    閥門拉伸和壓縮試驗過程如圖8所示。

圖8 閥門拉伸和壓縮試驗過程

    試驗方法：（1）連接閥門的配管加載19900kN的拉力和壓縮力。（2）施加0.4～0.7MPa的氣壓，進行外部泄漏、閥座泄漏、扭矩測量試驗。（3）測量閥門及袖管的應(yīng)力。

    試驗合格判定依據(jù)：（1）閥門各部位的應(yīng)力在屈服強度以下。  （2）無外部泄漏、閥座泄漏。（3）操作扭矩?zé)o異常。

    3.3 沖刷試驗

    沖刷試驗是模擬油氣運輸過程的一個測試。試驗過程如圖9所示。

圖9 沖刷試驗現(xiàn)場 

    試驗方法：（1） 在沖刷試驗裝置的配管中注入公稱工作壓力的氮氣。（2）打開閥門，讓流體通過沖刷閥座。  （3）檢查閥座有無異常。

    試驗合格判定依據(jù)：   （1）閥座未發(fā)現(xiàn)異常。（2）閥座的密封性能無異常。

    3.4 反復(fù)加壓操作試驗

    反復(fù)加壓操作試驗主要模擬實際操作過程中閥門的運作狀況及耐用性。

    試驗方法：（1） 先將閥門關(guān)閉， 對閥座施加公稱工作壓力的氣壓，然后將閥門全開。如此反復(fù)操作，重復(fù)200次。（2）在0.4～0.7MPa及公稱工作壓力的氣壓下檢查閥座有無泄漏。

    試驗合格判定依據(jù)： （1）閥座未發(fā)現(xiàn)泄漏。（2）閥門的閥座無異常。

    3.5 低溫反復(fù)操作試驗

    低溫反復(fù)操作試驗?zāi)M我國西北和東北地區(qū)在冬天的極寒情況下閥門的操作狀況。

    試驗方法：（1）將球閥冷卻至-45℃，重復(fù)開關(guān)200次。  （2）重復(fù)開關(guān)后，在0.4～0.7MPa及公稱工作壓力氣壓下檢查閥座有無泄漏。

    試驗合格判定依據(jù)： （1）閥座未發(fā)現(xiàn)泄漏。（2）閥門的閥座無異常。

    3.6 異物咬合試驗

    異物咬合試驗?zāi)M油氣運輸過程中內(nèi)部有雜物的情況，要求在雜物進入球閥內(nèi)的情況下，球閥仍能正常動作。

    試驗方法：（1）將不同目數(shù)的沙子、鐵銹、氧化皮各100mL放在閥座和球的接觸處。（2）進行250次開關(guān)。（3）每開關(guān)50次，在0.6MPa及7MPa氣壓下檢查閥座有無泄漏。   （4）在閥座部位注入密封脂，進行緊急修復(fù)試驗。

    試驗合格判定依據(jù)：（1）開關(guān)150次，閥座無泄漏。  （2）開關(guān)200次，小于180mL/min的泄漏。  （3）開關(guān)250次，小于625mL/min的泄漏。（4）在閥座部位注入密封脂后閥座無泄漏。（5）操作扭矩?zé)o變動，操作情況良好。

    3.7 吹垢試驗

    試驗方法：（1）將閥門關(guān)閉，在閥座前方放置1L的異物， 在放置異物側(cè)施加7MPa的氣壓，閥門開放16%，把異物吹入閥座。（2）在0.6MPa及7MPa的氣壓下，進行閥座泄漏試驗。

    試驗合格判定依據(jù)：閥座無泄漏，操作扭矩?zé)o異常。

    3.8 抗震試驗

    模擬地震，在振動試驗臺上，使用不同的載荷和不同的振幅、振動頻率，對球閥進行抗震試驗測試。

    試驗方法：（1）對加長桿加載，相當(dāng)于地基滑坡時產(chǎn)生的土壓彎曲載荷。（2）測量閥門及加長桿部位的應(yīng)力。（3）在圧力11.3MPa下進行密封試驗。（4）進行操作扭矩試驗。

    試驗合格判定依據(jù)：（1）各部位的應(yīng)力在屈服強度以下。（2）閥門無泄漏，無異常。（3）操作扭矩?zé)o異常。

    4 結(jié)論

    球形構(gòu)造的全焊接球閥具有受力均勻、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和強度高等優(yōu)點。采用雙活塞效應(yīng)的閥座結(jié)構(gòu)和特制的密封橡膠材料，能夠有效地增強密封的可靠性，確保球閥長達(dá)30年的使用壽命。通過閥門的一系列測試，可以保證閥門在特殊工況下的使用要求。