1 概述

我國是世界油、氣生產大國，石油、天然氣資源十分豐富。球閥作為集輸裝置的重要設備，其市場容量大，前景廣闊。金屬硬密封球閥廣泛應用于石油、化工、電力、制藥、食品、輕工等行業，適用于控制高溫、高壓或帶有顆粒、纖維的流體介質，尤其適用于電站、冶金行業的鍋爐、噴煤及結垢、凍結的輸送管道。

國內管線建設已經大量使用高溫高壓的軟密封球閥，其制造難度已經很大了，但是，隨著市場經濟的發展和完善，隨著能源產業發展以及化工產業發展，特別是中國加入WTO以后，企業受市場的影響越來越深，用戶對產品的要求越來越高，高品質、高技術閥門的市場越來越大。對于耐腐蝕和高溫的球閥產品需求量很大，對這類閥門設計和制造難度相當大，而且目前市場上無論鑄造或鍛造的，高溫高壓的硬密封球閥生產制造更加困難，我們結合全焊接球閥的設計、生產、制造經驗，采用中體與中體上法蘭焊接連接，減少閥門外泄漏、整體剛度好和硬密封球閥的耐溫、耐腐蝕等優點，開發設計一種新型高溫高壓硬密封固定球閥，能廣泛應用于高溫、高壓、高腐蝕、含顆粒介質的高危場合。并能保證其密封性能，延長閥門的使用壽命，已經廣泛使用于各種管線球閥工程，用戶反映閥門使用性能很好。

2 結構原理

新型高溫高壓硬密封固定球閥是我公司在引進日本北村KTM公司的球閥技術基礎上，結合我公司豐富的設計制造經驗和市場需求而進行設計的，按API6D管線球閥要求而進行設計，其結構總裝圖見圖1：

圖1 新型高溫高壓硬密封固定球閥結構圖

1-連接法蘭；2-中體上法蘭；3-上閥桿；4-螺旋彈簧；

5-閥座支承圈；6-左右體曰硬密封閥座；7-O型橡膠密封圈；

8-閥座曰矩形石墨繩；9-球體；10-下閥桿；11-底蓋；12-中體；13-底

3 工作原理

如圖1所示，球體通過上、下閥桿及閥座部件固定在中體、左右體中，閥座安裝于支承圈內，支承圈與左右體靠O形密封圈密封，閥座借助螺旋彈簧預緊。介質進口端閥座，在球體關閉時，靠閥座密封圈內徑和進口密封支承圈外徑所形成的環面積上的介質作用力壓緊球體，以達到球閥的密封，密封的可靠性在很大程度上取決于密封面的平均直徑與支承圈外徑之比，如果支承圈外徑的值和密封面的平均直徑的值相比不夠大時，球閥將不能保證可靠密封，另一方面，如果支承圈外徑過大將引起閥座密封圈過載，而使閥門的開關扭矩增加及磨損加快。

4 關鍵技術

4.1 主要內容

為提高我國高含硫（化氫）石油天然氣集輸管道抗腐蝕、耐磨、防火水平，提高其運行的可靠性和安全性。研究閥門抗硫化物應力腐蝕開裂、氫致開裂和焊縫抗硫化氫腐蝕的試驗分析，研制油氣集輸用耐磨、防火、抗腐蝕球閥系列閥門產品，*并形成產業化。

4.2 主要技術

（1）技術特點：運用*的工藝技術，研制適用于不同苛刻工況環境的不同功能的石油天然氣集、輸球閥。

（2）關鍵技術：整體焊接技術、噴涂硬化技術、噴涂防腐技術、材料防腐蝕試驗分析技術。

（3）關鍵工藝：抗硫化物應力腐蝕開裂（SSC）和氫致裂（HIC）試驗工藝、整體焊接工藝、超音速火焰噴涂工藝。

4.3 主要技術難題

（1）為掌握材料抗腐蝕性能，需進行模擬工況試驗，并解決焊縫抗硫化氫的腐蝕能力問題；

（2）為解決顆粒狀介質沖刷問題需噴涂硬化技術；

（3）為解決高壓大口徑球閥的防腐問題需噴涂防腐技術；

（4）為保護環境，減少火災影響，提高抗外力（含地震）沖擊能力技術，確定出設計方案，

5 主要設計參數

5.1 適用介質及工作溫度：

適用介質：壓縮天然氣、空氣等非腐蝕性介質。

適用溫度：-29～200°C。

5.2 性能規范

性能規范如表1所示。

表1 性能規范

5.3 主要零件材料

高溫高壓硬密封固定球閥產品主要由：中體、左右體、球體、閥座圈、閥桿等組成，根據用戶要求，可安裝手動操作器或其他執行機構，如手柄、電動、氣動等執行機構。

閥門主要零件材料如表2所示。

表2 閥門主要零件材料

6 采用的主要標準和技術要求

閥門*符合API6D的要求，API6D的各條款，作為產品設計指導和合格檢驗和試驗的標準。閥體承壓件和相關的焊接設計符合ASMEB&PV規范卷Ⅷ，*部分和DIN3840的要求。使結構優化、重量輕。

（1）設計制造：按API6D/GB/T19672的規定。

（2）結構長度：符合API6D的規定。

（3）法蘭連接端：為環連接（RJ），法蘭尺寸按ASMEB16.5-RF/RJ規定。

（4）試驗和檢驗：按API598的規定；

（5）通徑：符合API6D。zui小流道直徑符合API6D的規定。閥門是全通徑。

閥體連接端：與中體連接采用螺栓連接式鍛鋼閥體。

（6）閥蓋：閥蓋用螺栓連接在閥體上，使閥桿內件能自由安裝、并可在不用從管道上拆下閥門的情況下予以更換。接盤設計成既可安裝加長桿（埋地閥門），又可接各種操作器（電動或氣液聯動），接盤尺寸符合ISO5211標準的規定。

（7）球體：它是鍛制鋼球，金屬球體（ASTMA182F304+Ni60）通過超音速噴涂鎳基合金，與閥座支承圈（ASTMA182F6a）硬面堆焊STL硬質合金，硬面加工磨削后，再配對研磨，達到密封副要求。通過支座固定在閥體上（固定球）。當閥門關閉時，截斷流體壓差產生對球體的載荷，通過支座傳遞到閥體上。球體采用壓力平衡孔，平衡當球打開時的中腔壓力，這樣能減少閥門力矩，延長閥門使用壽命。

（8）閥桿：與球體可拆卸，并按ASMEB16.34和BS5351規定進行防飛設計。閥桿同球體的連接通過一套特殊的機構，允許球體在因介質的壓差而產生的推力作用下，可以沿閥門中心線軸向移動，而不影響閥桿，閥桿不承受徑向載荷或彎曲載荷，也就是說，閥桿只傳遞操作閥門的扭矩，實現了純扭矩操作。

（9）閥座支承圈：是雙向雙密封型，即不管通過閥門的流體方向如何（與流體進入管線的方向無關），兩個支承圈可同時推向球，這種重復的密封設計對流體有雙重阻擋作用，保證在上游密封失敗時，下游密封環對球的密封，它能確保閥門運行的長期性。每個支承圈是由鍛鋼制成的，可軸向浮動并截斷流體，因為它們通過彈簧預緊以實現低壓密封，由活塞效應實現高壓密封。為使閥門更有效地密封，閥座支承圈（ASTMA182F6a）硬面堆焊STL硬質合金，與金屬球體（ASTMA182F304+Ni60）通過超音速噴涂鎳基合金，加工磨削后配對研磨，達到密封副要求。

（10）閥桿密封：右上為閥桿內部密封，雙重；右下為閥桿外部密封，三重。

zui外部都采用帶有柔性石墨材質擋圈，具有防火燒蝕功能，可以實現在帶壓情況下更換閥桿外層O形密封圈。

（11）閥座密封：為使閥門更有效地密封，閥座支承圈（ASTMA182F6a）硬面堆焊STL硬質合金，與金屬球體（ASTMA182F304+Ni60）通過超音速噴涂鎳基合金，加工磨削后配對研磨，達到密封副要求。用硬密封副取代了軟密封（如RPTFE、PPL、NYLON、PEEK等）閥座結構，能很好的經受介質的沖刷和腐蝕，在開關過程中能自行鏟除密封面上粘附的殘留物，能有效的防止介質結疤，隨時保持密封面的清潔和光滑，特別適用于固體顆粒、膠料、粘稠等介質。

（12）雙截斷和排放：當球體在全關位置時，閥體中腔介質可以*排放。

（13）閥體排放：提供排放口和放空口，可按要求裝堵塞或閥門。

防靜電裝置：標準的閥門設計按API608的要求由不銹鋼彈簧來保證保證支承圈、球、閥桿和閥體之間的導電性。

（14）防火測試設計：閥門防火設計按APISpec6FA和BS6755：部分2和/或API607的要求。

（15）放空接口：在中體中腔中上部位，加工放空接口，安裝放空塞，安全簡便的實現中腔介質的放空和泄壓。

（16）吹掃接口：按用戶要求，在中腔下部45度位置，加工吹掃接口，安裝內螺紋鍛鋼閘閥，閘閥外部安裝堵塞，方便對中腔和球體的清理和吹掃。

（17）排污接口：在中體中腔下部設計和加工排污接口，安裝排污閥，安全簡便的實現對中腔介質排污和清理。

（16）閥門運輸：閥門備有底座和吊耳。

7 結構特點和技術性能

7.1 結構特點

本產品主要由中體、左右體、球體、閥座、閥座支承圈、閥桿等零件組成，手動操作器或其他執行器，根據用戶需求選配。

（1）閥座采用活塞效應-浮動密封閥座結構：利用閥座部件的活塞效應推動閥座與球體在上游形成密封，下游當中腔壓力異常升高時可自動泄壓，閥座能保證高壓、低壓及真空狀態下的*密封。

（2）閥桿為防飛結構：采用連接法蘭壓緊閥桿的較大的臺階面，有效的防止閥桿飛出。

（3）耐火結構：對閥座支承圈進行特殊設計，使閥座在燒損后，介質將支承圈迅速推向球體，使支承圈上的金屬斜面與球體形成金屬對金屬接觸，起到一定程度的密封，從而保證系統在火災時無大量介質泄漏。

（4）法蘭無外漏結構：中體與左右體設計成金屬—金屬接觸形成定止口法蘭，以防止密封失效而出現的大量外漏。

（5）防靜電結構：球體與閥桿采用閥桿鍵與球體有效接觸作為有效的導電通路，閥桿與閥體采用防止靜電銷和彈簧作為導電通路，從而把球體、閥桿和閥體有效的導電接觸，有效的導出靜電。

7.2 技術性能

7.2.1 閥座預緊力的必需和形

成盡管固定球閥的密封，主要靠介質作用力使閥座壓緊球體，但為了能建立起壓差，還需要有閥座預緊力，否則壓差建立不起來。本閥門在一般情況下都采用螺旋彈簧預緊，其*點是：

（1）幾何形狀簡單，便于制造。

（2）只需較小的空間，就能具有較高的負荷容量。

（3）多顆螺旋彈簧，均勻分布，有利于閥座部件的預緊受力均勻，也有利于預緊力的方便和快捷調整。

從我公司多年的生產實踐證明，此技術，載荷及應力的分布和計算都是可控、可行和準確的。

7.2.2 中法蘭無外漏結構

中體與左右體設計成金屬—金屬接觸形成定止口法蘭，以防止密封失效而出現的大量外漏。

7.3 耐火結構

對閥座支承圈進行特殊設計，使閥座在燒損后，介質將支承圈迅速推向球體，使支承圈上的金屬斜面與球體形成金屬對金屬接觸，起到一定程度的密封，從而保證系統在火災時無大量介質泄漏。

7.4 防靜電設計

（1）設計：為確保閥桿與球體之間或閥桿與閥體之間能導電的防靜電結構。防靜電電路的電阻應小于10Ω。

（2）閥桿和球體：通過閥桿鍵與球體有效接觸，形成導電通路。

（3）閥桿和閥體：通過防靜電彈簧和鋼球有效接觸，形成導電通路。

（4）試驗檢測：用經過壓力試驗并至少5次以上的開關的新的干燥的球閥，在電源電壓不超過12V（直流），測試閥桿、閥體和球體的防靜電通路，電阻都小于10Ω。

8 結論

本文是根據不同的壓力、溫度、工況介質和條件，選取需要閥門的密封結構，采用抗硫化物應力腐蝕開裂、氫致開裂和焊縫抗硫化氫腐蝕的試驗分析，選擇合理的技術參數和關鍵技術進行設計，研制出油氣集輸用高溫高壓耐磨、防火、抗腐蝕球閥，均能保證其實現有效的密封，提高其運行的可靠性和安全性，可以降低管線系統成本，延長閥門的使用壽命，*了國內市場空白，并形成產業化。