國產天然氣閥門概述

                         上海申弘閥門有限公司

*章 國產天然氣閥門概述概述 
大力發展低碳經濟，應對氣候變化的挑戰，已經成為新世紀世界經濟發展的主要潮流。中國作為世界大的發展中國家中經濟發展快的國家和世界主要經濟實體之一，已經決定2020年將單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%，這必然要求進一步轉變發展方式，調整能源結構。天然氣作為一種低碳、、廉價、安全的清潔能源，儲量十分豐富，發展前景廣闊，天然氣將繼續作為世界能源發展的重要熱點，得到持續快速發展，在今后相當長的一段時期內成為中國能源發展的大亮點。 
      2009年10月在阿根廷召開的第24屆世界天然氣大會上，與會專家和學者肯定了天然氣在低碳經濟世界發展中的作用，擴大天然氣利用是應對變暖的現實選擇，是化石能源向新能源過度的橋梁，并指出，二十一世紀是天然氣世紀，是發展“低碳經濟”的世紀，主要表現在以下幾點：一是天然氣資源豐富，可保障儲量產量的持續增長，天然氣聯盟專家認為，根據對天然氣的認識和非常規天然氣的預測，天然氣供給可保障未來80~100年的消費增長需求。二是天然氣需求旺盛，天然氣在應對經濟危機、氣候變化和供應安全方面可以成為“型”化石燃料，2030年天然氣產量將增加30%，在一次能源消費結構中由24%上升到28%。三是天然氣是所有化石能源中為清潔的燃料，是發展“低碳經濟”的能源支撐，是化石能源向新能源發展的橋梁。四是技術進步可以促進非常規天然氣的有效開發，天然氣價格相對較低，更能為社會所接受，得到廣泛應用。五是天然氣供需的剛性增長，將拉動投資增長，天然氣聯盟專家評估，在2030年前，為使天然氣供應量增加1.6萬億立方米，天然氣上中下游價值鏈系統的投資將達到10萬億美元，進而拉動經濟增長。  
    天然氣工業的快速發展推動了天然氣管道的建設。作為連接氣源和市場的紐帶，管道以其輸送能力強大、調度靈活、多向調節的特點，提高了天然氣供應的抗風險能力。加快天然氣管網及配套設施建設，提高配送靈活性，規劃建設好干線、支線和聯絡線，將直接關系到經濟的穩定發展和人民生活水平的提高。用管道輸送油氣，其成本是鐵路運輸的1/3，海上運輸的2/3，不僅經濟效益顯著，而且對于緩解交通運輸壓力，保障能源輸送安全都能發揮不可替代的作用。目前，世界已經形成了一些跨洲、跨國的大型輸氣管網，總長度超過千米。其中美國干線管道總長千米，國土面積916萬平方公里，干線管道密度達0.05千米管道/平方公里國土；歐洲干線管道總長千米，面積1016萬平衡公里，干線密度達0.015千米管道/平方公里國土。而截止2008年底，我國天然氣干線長410150×41049×4106.15×1 4101.3×千米，國土面積960萬平方公里，干線密度為0.0033千米管道/平方公里國土，是美國的1/15，是歐洲的1/5，發展空間巨大。為了改變這一狀況，根據我國的能源建設規劃，今后一段時期，我國的石油、天然氣管道布局將建成主干、支線和復線20多條，其線路之長，投資規模之大，工程建設項目之多，預示著我國的管道工業建設已經蓄勢待發。 

    天然氣管道建設推動了管道閥門的發展。閥門特別是燃氣減壓閥，管道球閥、旋塞閥、強制密封閥等是管道工業的主要設備之一，它在管道運輸中起著安全和可靠運行的關鍵作用。今后很長一段時間內，隨著我國輸油、輸氣管道的提速發展，其需求量將有數十倍的增加。同時，隨著世界天然氣管道建設向長距離、大口徑、高壓力和網絡化發展，對管道閥門的設計研究和生產加工又提出了新的要求，管道閥門的開發和制造需要不斷改進和完善，以適應天然氣管道發展的需要。第二章 國內外管道閥門的發展現狀 
國內外閥門設計技術的基礎主要根植于傳統的機械設計、材料力學、流體力學等的基礎上。閥門的核心要求就是在滿足工況條件下正常工作，確保密封。為達到這個基本要求，國外的閥門工程師們在100多年前開始了一項偉大的工作——制定閥門設計和制造標準，他們所累積的成果就是我們今天閥門設計的基礎依據，隨著社會的進步、科技的發展和市場的導向，閥門的制造標準也在不斷更新。許多閥門雖然在早期就已經開發，但是直到近20年來才得到飛速的發展，歸根結底，就是市場的需求和工業制造水平的不斷完善所致，比如：大口徑高壓管線球閥、高位耐沖刷軌道球閥等在當今的流體控制領域得到了飛速發展。除此之外，閥門產業格局也從過去集中在歐美發達國家、從單一工廠大而全模式，逐步發展為閥門產業化、專業行強的模式，形成閥門產業分工細化，注重應用、行業鮮明、專業突出、產業配套的大格局。近10年來，工程項目的旺盛需求，以及經濟一體化的趨勢，推動了閥門產業的大發展、大轉移，尤其是中國閥門制造業在產能、設計、制造、質量控制等方面得到了的提高和發展。 

天然氣管線閥門特點及應用          

 一、我國天然氣行業現狀和前景      

   隨著中國高速的經濟增長對能源的需求，老百姓對生活的質量和生態環境的要求也日益提升。西氣東輸、川氣東送以及引進俄羅斯天然氣等世紀工程顯示了天然氣這一具有、潔凈和環保等特點的重要能源，正受到我國政府的高度重視。中國燃氣在西氣東輸和川氣東送沿線的十幾個省份先后成立了四十六家擁有天然氣專營權的合資公司，投資超過50個天然氣管網項目，而這一數字將隨中國燃氣市場的迅猛擴張而不斷遞增。      

    西氣東輸工程的順利實施提高了我國天然氣管網建設水平，為形成全國天然氣管網奠定了基礎。以西氣東輸工程為起點，我國天然氣管道建設水平逐漸向水平靠攏，向著長距離、大口徑、高壓力和高度自動化網絡管理的方向發展，為我國天然氣工業的快速發展奠定了堅實的物質基礎。      

    西氣東輸工程的建成，開通了我國橫貫東西的一條能源大動脈，對于推進西部大開發、加快中西部地區發展、造福新疆及沿線各族群眾，對于推進產業結構調整和能源結構優化、保障國家能源安全，必將發揮重大作用。西氣東輸工程西起新疆輪南，途經10個省、自治區、直轄市，全長約4000公里，設計年輸氣量120億立方米。現正在進行的增輸工程達到170億立方米。中下游將建劉莊子、金壇兩個大型地下儲氣庫。管道工程經過戈壁沙漠、黃土高原、太行山脈，穿越黃河、淮河、長江，是目前我國管徑大、管壁厚、壓力等級高、技術難度大的管道工程，創造了多個國內天然氣管道的紀錄，也創造了世界管道建設*的高速度。西氣東輸工程的建成和運營標志著我國天然氣管道建設整體水平上了一個新臺階，奠定了我國天然氣管網的基礎。    

      據了解，我國將以西氣東輸工程建設為契機，統籌考慮東中西部、海上和陸上天然氣資源，積極實施“走出去”戰略，引進國外天然氣資源，進一步完善我國天然氣管網發展規劃，加快干線管道、儲氣庫、增壓站和相關支線的建設，構建覆蓋全國的五橫兩縱天然氣基干管網，逐步形成西氣東輸、北氣南下、就近外供、海氣登陸的供氣格局，終形成以輪南至上海、長慶至北京為主干線的西氣東輸、陜京線和陜京二線，以及川渝、京津冀魯晉、長江三角洲、西北、兩湖地區為主的地區性天然氣管網，終全國天然氣資源多元化、供應網絡化和市場規模化。      

 二、天然氣管線閥門特點      

隨著天然氣管線業的發展，天然氣管線閥門的用量越來越大，天然氣管線閥門與普通閥門有所不同。具體有以下幾點：      

 1、國產天然氣閥門概述材料      

因管線輸送的天然氣在脫硫前含有大量的硫化氫(這是一種有毒且腐蝕性*的氣體，它和鐵反應生成硫化鐵，能呈片狀剝落，穿蝕機械設備)。即使經過脫硫等工藝處理的天然氣，仍有殘存的硫化氫。故管線閥門選材要選耐腐蝕的抗硫材料。      

 2、泄漏量      

    天然氣管網大多建在城市的邊緣，運行和管理不像一般工廠，經常有工人進行操作、維護和檢查。一般城市天然氣管線都在上百公里以上，只能定期巡邏、檢查，而且有時管線需要通過情況復雜的地區，介質的漏失可能會帶來嚴重的火災事故。尤其是離城市較近的管線，防止閥門的外漏顯得尤為重要。      

     天然氣閥門的泄漏量要求十分嚴格，通常埋地和較重要的閥門都采用閥體全焊式結構。為了保證管線閥門的密封性能，要求密封副具有優良的耐蝕性、耐磨性、自潤性及彈性。近年來高分子材料的發展為管線閥門密封材料的選擇提供了廣闊的選材天地，如聚四氟乙烯、尼龍、橡膠(NBR)、特殊合成橡膠(VITON)等。       

 3、國產天然氣閥門應用場合      

  管線一旦投入運行，幾年內不允許停止運行，運行的時間越長越好，不像一般化工廠或煉油廠，有大修期。管線輸送的天然氣面對著整個城市的大量用戶，有居民、企業、工廠等，特別是以天然氣為原料的企業用戶，不允許有片刻間斷。串聯在管道上的管線閥門一旦失靈，后果不堪設想。因此管線閥門的主要密封易損件如閥座等零件就要求壽命長。一般主干線管道閥門使用壽命要求30年以上。        4、國產天然氣閥門驅動裝置      

    由于管線輸送壓力高、口徑大、開關時間快，管線閥門需要采用大扭矩驅動裝置。如電動或氣動裝置、氣—液聯動或電—液聯動裝置。驅動裝置還要有防爆要求，要求EExdIIBT4，防護等級IP68。因管理控制人員一般在站內或控制室，因此要求管道一旦發生破裂等重大事故時，管線閥門能自動切斷。管線閥門要求操作力小，在溫度、外力變化產生影響時，能實現準確操作。特別是緊急切斷閥，必須能夠處于全開狀態，必要時迅速閉鎖管路。同時，要求閥門的開閉位置和開度指示器準確、易懂，滿足適當的開關速度。

2.1天然氣管道發展趨勢對閥門的影響 
2.1.1天然氣管道建設趨勢 
當前世界的輸氣管道建設發展的總趨勢是：長運距、大口徑、高壓力和網絡化，逐步形成大型的供氣系統，向極地和海洋延伸。 
1、長運距 
世界天然氣資源豐富，但是分布不均衡，大型氣田大都遠離消費中心，同時天然氣貿易量迅速增加，這些都促使輸氣長距離管道建設的發展。1946年前蘇聯建成*條長距離輸氣管道，該管道起點薩拉托夫，終于莫斯科，管徑325毫米，長788千米，輸氣壓力為7.5兆帕。1986年建設的美國阿拉斯加輸氣管道，縱貫加拿大并延伸到美國本土中西部地區，管道總長度7764千米。我國西氣東輸一線干線長為3840千米。 
2、大口徑和高壓力 
一般來說，在輸氣量可以準確預測的情況下，建設一條高壓大口徑管線比平行建幾條低壓小管線更為經濟，因為輸氣管線的輸送能力與管道直徑的2.4次方成正比，所以，增大管徑是提高管道輸送能力的有效措施。例如，一條914毫米直徑的管道其輸氣能力是304毫米直徑的管道的17倍；一條直徑為1420毫米，輸送壓力為7.5兆帕的輸氣管道可以代替3條直徑為1000毫米，輸送壓力為5.5兆帕的管道，并且前者可以節省投資35%，節約鋼材19%。蘇聯是世界上首先大量采用1020毫米以上輸氣管道的國家，1962年初輸氣干線的大管徑為1020毫米，其總長度為1276千米，到1975年1020毫米、1220毫米、1420毫米大口徑輸氣干線的合計長度占全蘇聯天然氣輸氣干線總長度的比例由1962年的5%增至39.2%。目前，為增加輸氣量，降低輸氣成本，新建輸氣干線中大中口徑的管道的比例逐漸上升。天然氣管道直徑在1000毫米以上的超過千米。陸上輸氣管道工作壓力一般為7.5~8.0兆帕，阿拉斯加輸氣管道美國東部支線的工作壓力為10兆帕，穿越西西里海峽的阿意輸氣管道大工作壓力15兆帕。我國西氣東輸二線采用1219毫米管徑，12兆帕和10兆帕設計壓力。輸氣管道向更高壓的方向發展是一個趨勢，在一定程度上反映了一個國家輸氣管道的技術水平。 41012×3、跨國貿易日益活躍，輸氣干線網絡化、化 。
隨著天然氣需求量在世界范圍內的劇增，將進一步促進干線輸氣管道和地區性管網的建設。建設輸氣管網，使輸氣系統網絡化，已經成為世界天然氣儲運的主要發展趨勢之一。自六十年代以來，隨著天然氣產量和貿易量的增長及消費市場的擴大，已先后形成了一些洲際的、的、全國性的和地區性的大型輸氣管網，通過由若干輸氣干線、多個集氣管網、配氣管網和地下儲氣庫構成，將多個氣田與成千上萬的用戶連接起來。多氣源、多通道，保證供氣系統的可靠性和靈活性。前蘇聯的統一供氣系統，向東西歐地區供氣，是當今世界上規模大的天然氣輸送管網，連接了數百個氣田、數十座地下儲氣庫及1500多個城市，管道總長已經超過千米。整個歐洲是世界上輸氣管道密度大的地區，歐洲的輸氣管網已從北海延伸到地中海，從東歐邊境的中轉站延伸到大西洋，阿意輸氣管道的建成實際上已將歐洲的管網與北非連接起來了。而阿爾及利亞——西班牙的輸氣管道終將延伸到葡萄牙、法國和德國，與歐洲輸氣管網連成一體。此外，中國*條跨國陸上天然氣管道——中亞天然氣管道已經建成。大量跨國輸氣管道的相繼建成并與原有的大輸氣管網并網，將會形成統一的輸氣管網系統。 41030×2.1.2天然氣管道的輸送工藝 20世紀80~90年代是油氣管道技術發展的成熟期，各項技術飛速發展。目前世界范圍內的管道工程建設呈現出合作的趨勢，管道的設計、建設、運營管理更加注重成本效益，新技術的開發不斷涌現。 

1、采用大口徑、高壓輸送技術 
一般來說，在輸氣量可以準確預測的情況下，建設一條高壓大口徑管線比平行建設幾條低壓小管線更為經濟。國外干線天然氣管道直徑一般在1000毫米以上，例如，蘇聯通往歐洲的干線天然氣管道直徑為1420毫米，的阿意輸氣管道直徑為1220毫米，同時國外大口徑管道的施工技術也非常成熟。西歐和北美地區的天然氣管道壓力普遍都在10兆帕以上，像阿意輸氣管道高出站壓力達21兆帕（穿越點處），挪威Statepipe管道輸氣壓力為13.5兆帕，新近建成的Alliance管道大許用運行壓力為12兆帕。我國西氣東輸一線，直徑為1016毫米，壓力為10兆帕。西氣東輸二線，直徑為1219毫米，壓力為12兆帕。 
2、采用鋼材料 
采用鋼材料可以減少壁厚，減輕重量，縮短焊接時間，降低焊接工藝，大大降低材料的消耗量和建設成本。 
3、管道減阻技術 
國外輸氣管道采用內涂層后一般能提高輸氣量6%~10%，同時還可以有效減少設備的磨損和清管次數，延長使用壽命。我國西氣東輸管道在國內采用減阻技術，據報道，采用該技術后科節省3座壓氣站，節省投資7億元，每年節省運行費用1.55億元，還可以減少清管次數，縮短管道干燥時間，減少管壁物質沉積等。 
4、高壓富氣輸送工藝技術 
富氣輸送工藝是指輸入管道前只將天然氣中的水、硫化物和部分液體脫掉，而將乙烷、丙烷、等重烴氣（凝析液的主要成分）保留在天然氣中一起以氣態單項輸送的工藝，富氣輸送工藝是含凝析液的濕天然氣管輸工藝的一種。管道采用富氣輸送工藝時由于壓力高熱值也較普通干氣輸送的天然氣高，減壓波速很低，這樣就要求材料具有較高的防止脆性斷裂和延性裂紋擴展的韌性，因此斷裂控制是富氣輸送工藝的關鍵技術。對富含凝析液的天然氣采用富氣輸送技術將會產生巨大的經濟效益。主要是因為：富氣輸送管道中的天然氣總熱值的提高，使管道的輸送效率得到提高；隨著乙烷等重烴氣組分的增加使管輸天然氣的密度增加，這使得天然氣的壓縮系數降低，即天然氣更容易壓縮，因此壓縮機需求的功率就會降低，相應的燃料消耗也會降低，運行成本降低，廢氣排放減少。 
另外，現代天然氣管道輸送還需要完善調峰技術，提高壓縮機組功率，完善管道輸送技術軟件等。

第三章 天然氣管道常用閥門 
閥門的種類多種多樣，應用范圍相當廣泛。天然氣管道常用的閥門主要有管道球閥、平板閘閥、旋塞閥，減壓閥、強制密封閥等，其中以管道球閥應用。 
3.1管道球閥 
3.1.1管道球閥的發展 
管道球閥經過半個多世紀的發展，在結構設計上形成兩大流派。一派以美國Cameron公司為代表，采用全焊接球狀閥體結構。屬于這*派的有德國的BORSIG公司和Schuck公司，美國的Larsen&Toubro公司，日本的KITZ公司TIX公司，TUBOTA公司，以及俄羅斯的Tyazhpromarmatuva公司。另*派以意大利的Grove公司為代表，采用非提示筒狀結構和在此基礎上發展起來的全焊接筒狀閥體結構。同屬于這一類的有意大利的NuovoPignone公司，PCC公司，PERAR公司，PIBIVIESSE公司，B.F.E公司，FCT公司，美國的PBV公司以及捷克的Czechoslovikia公司。 
美國Cameron公司產品的技術特征是：全焊接球狀閥體，尼龍或PTFE密封材料，可轉動閥座，上下閥桿軸支撐，進口端密封，出口端腔體壓力自動向下游段泄放。該公司在五十年代就完成了全焊接球形閥體結構，以其高可靠性廣泛應用于油氣長輸管道中，如美國阿拉斯加原油輸送管道。 
意大利Grove公司生產的球閥以雙活塞效應，防爆橡膠O型圈或PTFE密封材料，支撐板支軸球結構，分體式閥體，便于維修，廣泛應用于油氣長輸管道的場站和增壓站。其后發展的圓筒狀或準圓筒狀全焊接閥體球閥在長輸管道中亦用作緊急切斷閥。在某些需要在線維修的場合，可以選用上裝式結構管線球閥。 
在其后的發展過程中，上述兩種技術互相借鑒，互相交融。Cameron公司的Dynaseal370系列產品極為分體式結構，與全焊接閥體產品配套銷售；Grove公司也推出準球狀的全焊接閥體結構在主管線中獲得應用。而其他公司如TIX，TITZ則吸收兩大流派的優點，根據各自制造工藝特點，推出球狀全焊接閥體，雙活塞效應，橡膠密封材料的管道球閥產品，綜合了各流派的技術優勢。 
3.2.2管道球閥的結構特點及工作原理 
1、閥體 

閥體可分為全焊接閥體設計和分體式閥體設計。 全焊接閥體設計有筒狀結構和球狀結構，筒狀結構制造工藝較簡單，便于裝配定位，返修容易實施，坯件制造所需模具簡單，費用相對較低，而且方便采用支撐板對球體進行固定。但重量大，材料成本高。同時由于多采用雙焊縫，焊接過程熱輸入量大，殘余應力復雜，軸向和徑向變形大。在閥門安裝在管線上后，閥體承受極大地管道應力和管線載荷，同時由于安裝誤差、底層運動和熱變應力等因素影響，產生的外力和扭矩是相當大的，厚度比較大的圓柱形閥體能夠更可靠的承受管線載荷，不易產生變形。球形閥體結構受力狀況優于筒形閥體結構，抗彎曲、抗擠壓能力強，閥體設計壁厚小，重量輕，結構整體性能好，但其制造工藝相對復雜，在閥內做球體支撐不易實施，一次性開模費用較高，但批量生產成本低于筒狀結構閥門。目前，球狀閥體結構有三種焊接形式：

*種是兩縱兩環焊接形式，Cameron公司的全焊接球閥即使這種焊接形式。這種結構閥體成型所需模具相對較為簡單，模具費用低，但焊縫多，焊接變形大，裝配定位難度大，T字形焊縫容易產生應力集中。

第二種球形閥體結構是，左右兩個閥體為球形，中間為圓柱形，三體通過兩道對稱縱向焊縫組焊而成，這種結構工藝性較好，便于返修和發干部分的安裝，對于大口徑全焊接球閥尤為適合，目前新比隆公司等采用此種結構。

第三種是采用單條焊縫焊接的閥體結構，現在由于工藝技術進步，采用左右閥體熱鍛壓成型，在中間單焊縫焊接成型，焊縫少，減少先能量輸入，降低軸向和徑向變形，且焊縫遠離閥座，焊接熱不易損傷閥座，因此可以以較高的焊接電流和速度進行焊接，此種結構閥體成型需要專門模具，模具費用相對較高，如一次裝配試驗不成功，返修比較困難，目前Schuck等公司采用此種結構。 
分體式結構又分為側裝式和頂裝式兩種。一般由閥體和左右連接體組成，連接體與閥體由螺栓連接，連接法蘭厚度與螺栓的連接強度應按與閥體內徑相當的法蘭進行類比設計，其連接強度必須防止管道盈利而產生連接松弛，使密封失效。閥體與連接體面對面接觸，中間無間隙。密封必須滿足失火安全要求，采用橡膠“O”型圈與纏繞式金屬墊組合密封。但是隨著近年來全焊縫閥體技術的快速發展，已經逐漸取代了具有外漏危險的分體式結構。 閥體的材料為鍛件，溫度-29°以上選用ASTM A105；-25°以下選用ASTM A350 LF2。對于焊接閥體，對A105或LF2材料的化學成分、含碳量、碳當量以及硫、磷等元素應另有特殊限制。鍛件按三級鍛件標準驗收，做99%無損探傷，焊縫處做著色檢查和超聲波探傷。 
2、閥座及密封 
閥座密封結構是全焊接球閥的關鍵技術，它直接影響球閥的密封性能和使用壽命，為確保其密封性能的可靠性和30年以上使用壽命的要求，通常在結構設計上采取以下措施： 

（1）雙活塞效應的雙密封閥座結構 
雙活塞效應是指在這種結構里，閥座與球體密封中心與發作密封圈的中心在一個圓柱面上，如圖3-1所示，閥座支撐圈和閥座密封圈均為可以移動的活塞，同時具有兩個活塞。所謂雙密封座，是指就一個閥座而言，在兩個方向均能實現密封的閥座結構。即當上游介質壓力高于中腔壓力時，介質壓力會推動閥座密封圈向球體移動，使上游側推力與中腔側推力形成的壓力差，從而使閥座與球體抱得更緊，增加密封比壓，滿足密封要求，也就是當上游壓力高時能夠實現密封；當中腔壓力高于上游壓力時，中腔壓力會把閥座密封圈推向上游側，而改變閥座上下游側的受力面積，使中腔介質推動閥座支撐圈的推力大于上游側介質推動閥座支撐圈的推力，形成的壓力差，這個壓力差仍然使閥座與球體抱得更緊，實現密封。所以這種結構無論上游側壓力高還是下游側壓力高，閥座都會緊緊抱緊球體，滿足密封需要，因此叫雙密封閥座。

2）自泄壓式的單密封閥座結構 
如圖3-2所示，這種結構的閥座密封圈是固定的，只有閥座支撐圈可以移動，因此，這種結構又稱作單活塞效應閥座。該結構閥座密封圈到閥門中心的距離A大于閥座與球體接觸點到閥門中心的距離B，當上游壓力高于閥腔壓力時，上游壓力會把閥座支撐圈推向球體，使閥座和球體緊密結合，實現密封。當中腔壓力高于上游或者下游壓力時，中強壓力將把閥座支撐圈推離球體，是閥座和球體脫離接觸，從而使中腔壓力得以向低壓的上游或者下游泄放。 
雙活塞效應的雙密封閥座結構對全焊接球閥來說是一種非常有效地密封結構。由于要求確保30年使用壽命的全焊接球閥來說，是非常必要的，因為在閥內兩個閥座中，任何一個閥座受損，另一個閥座仍然可以獨立的起作用，保證密封。而對于自泄壓式的單密封閥座結構來說，當一端閥座損壞后，介質會進入中腔，中腔壓力將增大，而中腔壓力的增大將會 圖3-2 自泄壓式的單密封閥座結構 削弱另一端自泄壓閥座的密封能力，當中腔壓力高于下游壓力達到設計值時，就會發生泄露。因此，就密封可靠性而言，雙密封閥座結構優于單密封閥座結構。然而，正因為雙活塞效應的雙密封閥座結構不會自動泄放中腔介質壓力，當閥門處于全開全關位置時，截留于中腔內的介質可能由于溫度的急劇變化，使閥腔出現異常增壓，經計算，當截留于閥腔內的氣體溫度由-30℃上升到70℃時（這種情況可能出現在我國的西北，在嚴寒的冬天，對閥門進行了開關，此后一直到來年炎熱的夏天，都沒有啟閉過閥門。）閥腔壓力會升高到原來的1.41倍，這種壓力的升高對閥腔來說是不安全的。因為，氣體是可壓縮的，溫度升高，對閥腔壓力影響還不是很大；如閥腔充滿的是液體介質，因液體的不可壓縮性，溫度升高，閥腔壓力會升高更快。因此為保證閥腔的安全，對兩個閥座均為雙活塞效應的雙密封閥座結構的全焊接球閥，必須在閥腔安裝壓力泄放閥，泄放閥的泄放壓力通常設計為公稱壓力的1.1~1.33倍，泄放閥的通徑通常in2。 對于管道球閥閥體的密封方式通常組合密封方式，常用方法主要有下面三種： 

（1）初級金屬密封，次級軟密封 
金屬密封可以減少管道內的雜質對軟密封閥座的沖刷和擦傷，延長軟密封閥座的使用壽命，同時金屬密封承擔了大部分來自管內介質對閥座支撐圈的推力，使閥座受力減小，避免了軟密封閥座因為過載而受到傷害，金屬閥座采用不低于閥門球體的材質。 
目前軟密封閥座的形狀主要有兩種，一種是Δ形的，一種是O形的，這兩種形狀的密封所用的材料以VITON AED（抗爆氟橡膠）為主，密封原理和性能一樣。Δ形比O形的制造難度大，但形閥座的裝配難度小，發作草的加工難度也小于O形密封槽。國外大部分采用形密封，少數企業采用O形密封，國內企業以ΔΔΔ形密封為主。 
（2）初級金屬密封，第二級尼龍密封，第三級橡膠軟密封 
目前國內外少數企業采用三級密封方式，設計這種結構是考慮到管道有很多雜質，這些雜質經常會把球面、閥座損壞，造成閥門內漏，增加一道尼龍密封，阻擋管道內的雜質對閥座的沖刷。在閥門開關過程中，尼龍還起到把球體表面的雜質刮掉的作用，從而保護了第三級的橡膠軟密封，有利于延長閥門的使用壽命。但這種結構的尼龍閥座裝配難度比較大，如不采取有效措施，在閥門開關過程中，尼龍閥座會從閥座槽中脫離出來。再有由于安裝空間所限，尼龍閥座不可能做得比較寬，這樣尼龍閥座很可能因過載而加速損壞，影響其實際效果。 

（3）尼龍閥座密封結構 
目前有少數企業如Cameron等采用尼龍閥座密封結構。尼龍、增強四氟、PEEK等密封材料常用于分體式高壓球閥，在全焊接球閥中并不常使用，因為這些材料相對于viton等氟橡膠類材料來說，比較硬，材料的承壓能力強，但回彈性差，容易受到管道內的焊渣、鐵銹、沙子等雜質的擦傷、沖刷，其補償性能差，使用壽命難以得到保證，Cameron為提高閥門的使用壽命，采用了旋轉閥座結構設計，位于閥門3、9點鐘位置的閥座，在閥門開啟過程中，先與介質接觸，容易受到介質的沖刷，為使閥座能均勻受損，在閥門每開關一次，閥座旋轉一定角度，有利于延長閥門的使用壽命。但這種結構大大增加了啟閉力矩，對不啟閉的閥門，更容易出現卡死。 
另外，以上三種密封方式常與具有緊急密封作用的注脂系統一起使用。該系統由注脂閥和止回閥組成，分別安裝于閥體外側的閥座部位和閥桿填料函外徑上。該系統是一種補救措施，可以在緊急狀態下阻止或減少管線閥門密封座的泄露，將閥門的*維護延遲到下一個預定的管線關閉期。注脂之前，需要對閥座密封部位進行沖洗，且在此過程中閥門需打開15度左右三至四次，以*清潔球體與閥座的接觸面。注脂后，要測試密封效果。  
3、閥桿及密封 
閥桿密封結構也是全焊接球閥的關鍵技術之一，此處密封性能若出現問題，介質就會外漏，造成環境污染、引發火災等嚴重后果，因此務必高度重視。圖所示結構是目前比較常用、也比較有效的一種閥桿密封結構，它由兩道O型圈構成兩道密封防線，輔以一道柔性石墨密封，保證了密封的可靠性。柔性石墨密封在發生火災時可以有效地減少介質的外漏。有人將兩道O型圈密封分開，當閥桿密封出現泄漏時，可以對外層密封在帶壓情況下進行檢修更換，這種結構更加、合理。國外部分設計在閥桿密封處采用一道O型圈、一道柔性石墨、一道彈簧制動密封圈結構，這種結構將三種不同密封材料的優點，集合在一起，形成全天候、滿足多工況的密封要求。O型圈回彈性好，密封可靠，但耐高溫、低溫性能差，抗老化性能差；柔性石墨耐高溫性能好，回彈性差，密封不是很可靠；彈簧制動密封圈是一種U形PTFE內置特殊彈簧的高性能密封圈，由適當的彈簧力加上系統流體壓力，將密封面頂出而壓在被密封的金屬面以產生非常優異的密封效果，聚四氟乙烯抗老化、耐低溫，適用介質廣泛，彈簧的推力可以彌補密封面的磨損及閥桿表面的微觀不平，是密封更長效、更可靠，這種結構特別適合于含硫天然氣項目。 
4、球體與支承軸 
球體的加工精度，圓度，化學鍍鎳，鍍層厚度高于閥座的鍍層。對于大口徑，高壓力級閥門球體，應作球體變形計算，這種變形足以引起密封失效。 
mm005.0≤球體的支撐結構有兩種，一種是以支撐板支撐球體，閥桿和球體是獨立的，介質推力通過支撐板傳遞到閥體上，閥桿不承受介質推力，這種結構可以大大降低閥門的啟閉力矩，有效保護閥桿密封，基本上筒形結構閥體都采用這種結構。另一種結構多用在球形結構閥體上，球體的支撐靠上下閥桿，通過上下閥桿將介質推力傳遞到閥體上，這種結構閥桿要承受介質的推力，因此啟閉力矩大，閥桿受力會加速閥桿密封的磨損。 
5、防火結構 
管道閥門需要具有火災安全功能，則其結構必須為防火型，而其防火結構的設計應主要考慮：閥座的防火結構設計，閥桿防火結構設計，閥體與左右體結合面的防火結構設計。其中，閥座防火結構設計是關鍵，閥座的防火性能良好，在火災事故狀態下，可減輕閥桿防火結構、閥體與左右體之間防火結構設計的難度。目前常用的方法就是在閥桿及閥座支撐圈部分都加設了石墨密封，石墨密封耐高溫性能好，在發生火災的時候可以有效地減少介質的外漏，具有良好的防火作用。 
6、防靜電設計 
由于球體及閥桿與非金屬材料接觸和摩擦，產生靜電，因此在閥桿上/下位置設置導靜電彈簧，將靜電導通至閥體，并按照標準規定，使球體與閥體及閥桿與球體之間在12VDC以下，電阻值在10歐姆以下。 
7、DBB功能設計 
DBB（雙截斷和排放）功能設計是指無論是閥門處于開啟狀態還是關閉狀態，閥腔泄壓排放時，上游端和下游端閥座應同時截止，并允許從排泄閥處對在線閥門進行閥座密封性能測試，而不影響管線運行。 
6、其他設計結構 
其他結構設計如放空、排污、注脂、吊耳等，國內外沒有差異。 

3.2旋塞閥 
3.2.1概述 
管道旋塞閥是用于長輸天然氣管線及場站控制系統的切斷閥門，是一種滿足天然氣管線特殊要求的閥門。要求閥門具有適應惡劣的環境，30年以上的使用壽命，雙向零泄漏，耐火和防靜電，耐酸性介質腐蝕，以及操作省力等特殊技術性能。目前，國內天然氣管線及場站控制系統使用的旋塞閥全部采用進口的倒裝平衡式油密封旋塞閥。 
3.2.2旋塞閥結構特點及工作原理 
倒裝平衡式油密封管道旋塞閥采用倒裝閥芯壓力平衡式油密封結構。包括閥體、閥蓋、閥桿、旋塞體、聯軸平衡環、閥桿密封組件和安裝件。 
1、閥體 
閥體采用倒鐘式結構，整體鑄造，強度高，剛性好，受力均勻，閥體、閥門質量中心與管道中心基本重合，操作穩定性好。閥體密封錐面采用高速精磨加工，并經研磨后表面粗糙度小于Ra0.8。 
2、旋塞 
旋塞采用倒裝式旋塞，整體鍛造，精密機械加工并研磨后表面粗糙度可達Ra0.4。旋塞表面采用氮化、鍍鎳磷合金或者噴涂硬質合金等表面處理手段提高表面硬度；超音速噴涂硬質合金的表面硬度可達HRC65以上，鍍鎳磷合金并經熱處理后，其表面硬度可達HRC58~60。在油膜潤滑下具有*的耐磨性能。 
旋塞錐體的上部有一止回閥，可補償閥腔上部的注油壓力。旋塞的下部開有平衡孔，可將介質壓力引入旋塞底部，使旋塞壓緊閥體，起到密封作用。 
3、摩擦副 
密封副采用金屬密封結構加注油脂密封，由于密封油脂的填充占位作用，介質中的固體顆粒物不會進入密封面，對密封面有非常好的保護作用。因為油脂的潤滑，使得閥門操作力矩小，操作省力。 
特殊的非對稱油槽設計，轉動旋塞時密封脂自動加注無泄漏，*保證油膜完整，密封可靠。這種非對稱的油槽設計油耗損失非常小，延長了油脂的加注時間和使用周期。 
錐面密封，密封接觸面積大，油膜潤滑，使用壽命長。

4、閥桿及閥桿密封閥桿的強度和密封性能是影響閥桿操作及閥門整體性能的主要因素之一。閥桿的受力主要來自于填料處的摩擦力、操作扭矩及介質的推力。閥桿與旋塞采用滑環式連接方式，可減少閥桿中心與旋塞錐面的同心度誤差，改善閥桿的受力條件和操作性能。閥桿采用防飛出設計，可在線更換填料密封件。閥桿密封采用防火填料、O型密封圈、加注密封脂三重密封設計，閥桿機加工后表面粗糙度可達Ra0.4，*閥桿密封地泄漏要求，可可靠工作，免緊固維修。閥桿整體鍛造，并加調制處理，強度高韌性好。閥桿表面采用氮化或鍍鎳磷合金，表面硬度高，抗摩擦磨損。 
5、閥蓋及底部結構 
底部閥蓋是閥門底部承壓部件，同時又是底部密封墊片、底部調節桿的固定和安裝支撐件，要求具有高的剛度和強度。底部閥蓋的密封采用整體密封墊*隔離式結構，在保證閥蓋螺栓緊固時閥門具有可靠的密封。安裝在閥蓋底部的調節桿采用內置式結構，調整完成后旋緊壓蓋*零泄漏。底部調節桿支持閥芯，導出閥芯因各種原因產生的靜電。 
其工作過程是通過閥桿旋轉90度使閥芯上的通道口與閥體上的通道口接通或斷開，實現閥門開啟或關閉。通過該閥閥腔上部設計的注油脂閥注入密封油脂，該油脂在注入壓力作用下通過閥芯表面的特殊油槽均勻地涂在密封面上，形成致密的油膜層，實現閥門雙向密封并起到潤滑密封面的作用。在閥芯大端開有流通的小孔，使管道介質能進入閥芯底部，閥芯在底部介質力推動下向上緊貼閥芯倒錐面。閥芯小端裝有單向閥，當閥腔上部的油脂壓力低于介質壓力時管道介質通過單向閥進入閥體上腔以補充油脂壓力。同時閥芯在上腔油脂壓力及閥芯自重作用下與閥芯底部向上的介質推力保持平衡，可以大大減輕密封面的密封比壓，降低閥門操作力矩，延長閥門使用壽命。 
閥芯表面硬化處理并開有特殊油槽回路，閥體外有雙密封油脂注入裝置，一個是通過注入油脂對閥桿實現緊急密封，另一個是將油脂注入到閥體上腔。錐形旋塞體的小端通過平衡環與閥桿連接，閥體底部閥蓋上裝有調節支撐，可以調整閥芯的位置。閥門采油防火設計，有靜電導出裝置，過流通道按照API 6D的規定有全徑、規則孔及文丘里孔。閥門材料可采用碳鋼、低溫鋼、不銹鋼及合金鋼。驅動方式有電動、氣動、手動等。 
該種管線旋塞閥與傳統襯套式旋塞閥相比具有以下特點： 
一是密封可靠，使用壽命長旋塞閥靠錐面密封，密封接觸面大，油膜起到潤滑和密封的作用。采用注油脂密封，在旋塞的開關運動過程中能將密封油脂均勻涂在密封面上，有效潤滑密封面。同時因密封油脂的填充占位及開關過程的擦拭作用，介質中所含的固體顆粒不會進入密封副內，而在全開時間可以*防止與流動介質接觸，有效保護密封副。

3.4.1強制密封閥的發展 
1946年美國將軍閥門公司（General）推出了*代A型系列的強制密封閥，但是該系列閥門存在很多缺陷：操作機構處于介質中，如果對操作機構進行維修、維護和保養必須停工及防空管線，需要耗費大量的人力、物力和時間；另外，軟密封占據全部密封面；同時閥門沒有設計成防火安全結構。為此，1953年，美國將軍閥門公司推出了經改進的B系列閥門，該閥門進行了如下改進：一是通過壓蓋及填料密封是操作機構與輸送介質*隔離；二是軟密封通過粘接形式固定在滑片的溝槽內，并由金屬滑片對軟密封起到保護作用；三是為閥門了防火安全設計。到1958年，該公司推出的新一代產品可以實現無需管道停工卸載，可在線維修。之后經過多年的發展，目前的強制密封閥在閥體密封、操作機構結構、軟密封的粘接、防火、熱釋放系統及閥門組件鍍層等方面都有了很大的改進。 
我國在上世紀80年代末期才開始使用進口的強制密封閥門，而到了90年末，我國才開發出自己的強制密封閥門，并開始在場油庫、機坪使用。目前，強制密封閥門已經在我國的機場、大型油庫、石油石化、長輸管道中得到應用。 
3.4.2強制密封閥門的結構及工作原理 
強制密封閥門，主要由閥門、上蓋、底蓋、滑片、旋塞、操作機構等組成。 
強制密封閥門的密封件（滑片）與旋塞的連接采用導軌式結構。閥門在開啟的過程中，先通過傳動機構將旋塞提升到一個高度，隨著旋塞的提升，兩只滑片逐步被旋塞向閥門中心拉回，當滑片密封面*脫離閥體密封面并形成一定的間隙，繼續通過傳動機構使旋塞與滑片一起旋轉90°到閥門開啟。閥門在關閉過程中，先通過傳動機構使旋塞與滑片一起轉動90°（閥門處于關閉狀態，但未形成密封），繼續通過傳動機構將旋塞推下，隨著旋塞向下移動，從而推動滑片向閥體兩邊密封面靠攏，直至滑片上的彈性密封圈被均勻地擠壓到閥體兩邊的密封面上，形成密封。 
強制密封閥門的關鍵技術主要有下面幾點：

1、中法蘭密封 
強制密封閥大部分用于煤油、天然氣、液化石油氣、成品油等，由于煤油、天然氣等介質具有很強的滲透性、且易燃易爆，必須*杜絕介質無外泄漏。在中法蘭處采用O型圈加纏繞墊片雙重密封結構，如圖3-3所示。 圖3-3中法蘭密封 

2、填料密封 
強制密封閥的閥芯在閥門開關過程中，既要上下移動又要進行旋轉移動，加上介質的特殊性，要求填料密封安全可靠，常采用內外O型圈與填料密封的組合密封方式。 
3、閥門中腔超壓泄放功能 
雙密封的閥門，必須具有泄放裝置和功能。泄放的壓差是因環境溫度的變化而產生的。雙密封閥門在關閉狀態下，閥門中腔的介質隨環境溫度的升高體積膨脹，壓力逐步升高，如果不及時泄放掉該壓差，將會對閥門的操作產生嚴重影響，甚至出現閥門的脹裂，給系統的安全造成嚴重隱患。雙關雙段閥通常有三種泄壓系統： 
（1）手動泄壓系統（用于手動操作閥門） 
通常為安裝在閥體上的針型閥，當閥門關閉后，開啟針型閥，將閥體中腔介質泄到管道上游或大氣中去。 
（2）差熱式泄壓系統（用于手動、電動操作閥門） 
是一帶有單向閥的管路系統，手控泄放閥、三通、單向閥、隔離閥構成差熱式泄壓系統。隔離閥保持常開，當閥門關閉后，通過單向閥將閥體中腔的過壓泄放到閥門上游與管道接通。同時開啟手控泄放閥可以檢驗閥門的密封效果，閥門開啟時必須將手控泄放閥關閉。 
（3）自動泄壓系統（用于電動操作閥門） 
閥門關閉的同時，通過操作機構將泄壓閥自動開啟，將閥腔與管道上游或外界連通。

4、閥門的操作機構及自鎖性 
雙關雙斷閥的操作機構采用*的“L”型槽結構，將旋塞的軸向直線移動和90°旋轉運動分開，使閥門操作靈活、輕便。旋塞開始做直線運動，之后做旋轉運動。為了減少手輪的轉動圈數，一般閥桿與螺套的梯形螺紋采用雙頭或多頭。齒輪傳動機構本身具有自鎖性，梯形螺紋為重型梯形螺紋，可以承受更大的載荷。 

還有一種閥門，導向槽的設計為S形狀，該形狀在螺套圓柱面上近為S型螺旋線，其動作原理是旋塞初始做直線運動，之后既作直線運動，又做旋轉運動，導向鍵承受更大的剪切力，對導向鍵的強度有很高的要求；而且旋轉需要設計較大的行程，否則，易造成軟密封面與閥體密封面的摩擦，使操作力矩更大，閥門的壽命縮短。因此，“S”型導向槽結構存在致命的設計缺陷。 
5、關鍵零部件的特殊工藝處理 
由于閥門工作條件惡劣，所以需要對閥門的關鍵零部件進行特殊工藝處理。閥體內腔機械加工后，經鍍硬鉻處理，使閥體內腔具有耐銹蝕、耐沖刷、耐磨損、抗腐蝕性能。滑片機械加工后（壓氟橡膠前），經鍍硬鉻處理，使滑片金屬密封面具有耐銹蝕、耐沖刷、耐磨損、抗腐蝕性能。旋塞機加工后經鍍鎳處理，旋塞及上下軸耐銹蝕、耐腐蝕。閥桿粗加工后，進行調處理，精加工過后進行滲氮處理，提高與螺套的抗咬與抗磨損性能。螺套上的L型導向槽及導向鍵頭部加工后進行淬火處理，提高耐磨性能，保證導向鍵能在導向槽內自由滑動。第四章 天然氣管道閥門的發展方向及市場前景 
4.1天然氣管道閥門的發展方向 
隨著天然氣管道閥門的不斷創新，在傳統管道閥門繼續發揮作用的同時，許多新結構、新功能的閥門也逐漸地應用到天然氣管道中。在今后的管線閥門發展中，管線球閥以其自身的優勢將繼續作為管線閥門的主力軍；旋塞閥將作為一種補充切斷閥門用于天然氣管線及場站控制系統中，是一種滿足天然氣管線特殊要求的閥門；平板閥門將主要應用于輸送原油和成品油的管線以及壓力超過CL900~2500Lb的天然氣管線中；而強制密封閥門將作為一種特殊閥門越來越多地應用于計量系統、計量標定系統、多支管混輸系統、罐隔斷及頻繁操作的系統中。 
近年來，隨著新功能材料的開發和機械加工制造技術的不斷完善，天然氣管道閥門有了飛速的發展。縱觀世界范圍內的閥門設計技術，主要呈現出以下特色：一是閥門的設計更專注于具體應用的解決方案；二是閥門的設計更多的引入計算機仿真和模擬技術；三是閥門的設計標準日趨嚴格和具體；四是適應安全、環保的各項標準正在被主流的用戶廣泛接受，并逐漸成為一種趨勢；五是新材料的應用日趨廣泛；六是設計標準向著快速更新和不斷細化的方向發展；七是各種新型驗證技術正成為閥門設計的新手段和新方法；八是多學科的兼收并容是閥門設計未來發展的主流方向。 
世界范圍內的閥門生產制造，主要呈現出以下特色：一是閥門的產業鏈格局已經形成。中國成為閥門制造領域*的一員，并影響整個世界閥門市場；二是現代裝備大量應用，閥門制造工藝水平得到提高；三是材料表面處理技術得到廣泛應用；四是各種焊接技術在閥門的制造中起到越來越重要的作用；五是個性化特殊需求的市場正在逐漸形成，敏捷生產、針對特殊應用工況的閥門制造將成為未來的一種發展方向。 
4.2天然氣管道閥門的市場前景 
21世紀，隨著天然氣資源的不斷開發，人們對天然氣的利用將達到一個嶄新的高度，世界將迎來天然氣開發的春天。天然氣專家預測，在2030年前，天然氣供應量將增加1.6萬億立方米，而天然氣上中下游價值鏈系統的投資將達到10萬億美元。以建成西氣東輸工程為標志，我國天然氣工業也進入快速發展期，取得了勘探開發、管道建設、市場開拓等多方面的巨大成績。2000年以來每年新增天然氣探明地質儲量4000億立方米以上，探明了蘇里格、克拉2、迪那、普光、須家河、澀北、徐深等一批儲量規模千億立方米以上的大氣田，天然氣產量由200億立方米增加到近800億立方米，成功投入開發了復雜的大型深層異常高壓氣田、大面積低滲低豐度氣田；相繼建成西氣東輸一線、二線、陜京二線、澀寧蘭、忠武線等大型輸氣管線，大型管道將設技術達到了水平；天然氣市場快速拓展，除個別省、自治區外，供氣范圍基本覆蓋全國，提高了億萬人民的生活質量。 

天然氣工業和天然氣管道建設的快速發展將直接推動天然氣管道閥門的發展，全長4200公里從新疆輪南到上海的西氣東輸工程建設成功，場站和支線上的閥門，單單管線球閥就需要5000多臺，極大地帶動了我國管道閥門的發展。目前，西氣東輸二線4000公里將要開建，同時還有5條擬建的管線，總長超過10000公里。由此可見，二十一世紀天然氣工業的發展，將使管線閥門在技術上獲得進步，在商業上迎來無限的機遇。與本文相關的論文有：閥門在燃氣管道的應用。