国产天然气阀门概述

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*章 国产天然气阀门概述概述 
大力发展低碳经济，应对气候变化的挑战，已经成为新世纪世界经济发展的主要潮流。中国作为世界大的发展中国家中经济发展快的国家和世界主要经济实体之一，已经决定2020年将单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%，这必然要求进一步转变发展方式，调整能源结构。天然气作为一种低碳、、廉价、安全的清洁能源，储量十分丰富，发展前景广阔，天然气将继续作为世界能源发展的重要热点，得到持续快速发展，在今后相当长的一段时期内成为中国能源发展的大亮点。 
      2009年10月在阿根廷召开的第24届世界天然气大会上，与会专家和学者肯定了天然气在低碳经济世界发展中的作用，扩大天然气利用是应对变暖的现实选择，是化石能源向新能源过度的桥梁，并指出，二十一世纪是天然气世纪，是发展“低碳经济”的世纪，主要表现在以下几点：一是天然气资源丰富，可保障储量产量的持续增长，天然气联盟专家认为，根据对天然气的认识和非常规天然气的预测，天然气供给可保障未来80~100年的消费增长需求。二是天然气需求旺盛，天然气在应对经济危机、气候变化和供应安全方面可以成为“型”化石燃料，2030年天然气产量将增加30%，在一次能源消费结构中由24%上升到28%。三是天然气是所有化石能源中为清洁的燃料，是发展“低碳经济”的能源支撑，是化石能源向新能源发展的桥梁。四是技术进步可以促进非常规天然气的有效开发，天然气价格相对较低，更能为社会所接受，得到广泛应用。五是天然气供需的刚性增长，将拉动投资增长，天然气联盟专家评估，在2030年前，为使天然气供应量增加1.6万亿立方米，天然气上中下游价值链系统的投资将达到10万亿美元，进而拉动经济增长。  
    天然气工业的快速发展推动了天然气管道的建设。作为连接气源和市场的纽带，管道以其输送能力强大、调度灵活、多向调节的特点，提高了天然气供应的抗风险能力。加快天然气管网及配套设施建设，提高配送灵活性，规划建设好干线、支线和联络线，将直接关系到经济的稳定发展和人民生活水平的提高。用管道输送油气，其成本是铁路运输的1/3，海上运输的2/3，不仅经济效益显著，而且对于缓解交通运输压力，保障能源输送安全都能发挥不可替代的作用。目前，世界已经形成了一些跨洲、跨国的大型输气管网，总长度超过千米。其中美国干线管道总长千米，国土面积916万平方公里，干线管道密度达0.05千米管道/平方公里国土；欧洲干线管道总长千米，面积1016万平衡公里，干线密度达0.015千米管道/平方公里国土。而截止2008年底，我国天然气干线长410150×41049×4106.15×1 4101.3×千米，国土面积960万平方公里，干线密度为0.0033千米管道/平方公里国土，是美国的1/15，是欧洲的1/5，发展空间巨大。为了改变这一状况，根据我国的能源建设规划，今后一段时期，我国的石油、天然气管道布局将建成主干、支线和复线20多条，其线路之长，投资规模之大，工程建设项目之多，预示着我国的管道工业建设已经蓄势待发。 

    天然气管道建设推动了管道阀门的发展。阀门特别是燃气91视频看看簧色，管道球阀、旋塞阀、强制密封阀等是管道工业的主要设备之一，它在管道运输中起着安全和可靠运行的关键作用。今后很长一段时间内，随着我国输油、输气管道的提速发展，其需求量将有数十倍的增加。同时，随着世界天然气管道建设向长距离、大口径、高压力和网络化发展，对管道阀门的设计研究和生产加工又提出了新的要求，管道阀门的开发和制造需要不断改进和完善，以适应天然气管道发展的需要。第二章 国内外管道阀门的发展现状 
国内外阀门设计技术的基础主要根植于传统的机械设计、材料力学、流体力学等的基础上。阀门的核心要求就是在满足工况条件下正常工作，确保密封。为达到这个基本要求，国外的阀门工程师们在100多年前开始了一项伟大的工作——制定阀门设计和制造标准，他们所累积的成果就是91视频看看簧色今天阀门设计的基础依据，随着社会的进步、科技的发展和市场的导向，阀门的制造标准也在不断更新。许多阀门虽然在早期就已经开发，但是直到近20年来才得到飞速的发展，归根结底，就是市场的需求和工业制造水平的不断完善所致，比如：大口径高压管线球阀、高位耐冲刷轨道球阀等在当今的流体控制领域得到了飞速发展。除此之外，阀门产业格局也从过去集中在欧美发达国家、从单一工厂大而全模式，逐步发展为阀门产业化、专业行强的模式，形成阀门产业分工细化，注重应用、行业鲜明、专业突出、产业配套的大格局。近10年来，工程项目的旺盛需求，以及经济一体化的趋势，推动了阀门产业的大发展、大转移，尤其是中国阀门制造业在产能、设计、制造、质量控制等方面得到了的提高和发展。 

天然气管线阀门特点及应用          

 一、我国天然气行业现状和前景      

   随着中国高速的经济增长对能源的需求，老百姓对生活的质量和生态环境的要求也日益提升。西气东输、川气东送以及引进俄罗斯天然气等世纪工程显示了天然气这一具有、洁净和环保等特点的重要能源，正受到我国政府的高度重视。中国燃气在西气东输和川气东送沿线的十几个省份先后成立了四十六家拥有天然气专营权的合资公司，投资超过50个天然气管网项目，而这一数字将随中国燃气市场的迅猛扩张而不断递增。      

    西气东输工程的顺利实施提高了我国天然气管网建设水平，为形成全国天然气管网奠定了基础。以西气东输工程为起点，我国天然气管道建设水平逐渐向水平靠拢，向着长距离、大口径、高压力和高度自动化网络管理的方向发展，为我国天然气工业的快速发展奠定了坚实的物质基础。      

    西气东输工程的建成，开通了我国横贯东西的一条能源大动脉，对于推进西部大开发、加快中西部地区发展、造福新疆及沿线各族群众，对于推进产业结构调整和能源结构优化、保障国家能源安全，必将发挥重大作用。西气东输工程西起新疆轮南，途经10个省、自治区、直辖市，全长约4000公里，设计年输气量120亿立方米。现正在进行的增输工程达到170亿立方米。中下游将建刘庄子、金坛两个大型地下储气库。管道工程经过戈壁沙漠、黄土高原、太行山脉，穿越黄河、淮河、长江，是目前我国管径大、管壁厚、压力等级高、技术难度大的管道工程，创造了多个国内天然气管道的纪录，也创造了世界管道建设*的高速度。西气东输工程的建成和运营标志着我国天然气管道建设整体水平上了一个新台阶，奠定了我国天然气管网的基础。    

      据了解，我国将以西气东输工程建设为契机，统筹考虑东中西部、海上和陆上天然气资源，积极实施“走出去”战略，引进国外天然气资源，进一步完善我国天然气管网发展规划，加快干线管道、储气库、增压站和相关支线的建设，构建覆盖全国的五横两纵天然气基干管网，逐步形成西气东输、北气南下、就近外供、海气登陆的供气格局，终形成以轮南至上海、长庆至北京为主干线的西气东输、陕京线和陕京二线，以及川渝、京津冀鲁晋、长江三角洲、西北、两湖地区为主的地区性天然气管网，终全国天然气资源多元化、供应网络化和市场规模化。      

 二、天然气管线阀门特点      

随着天然气管线业的发展，天然气管线阀门的用量越来越大，天然气管线阀门与普通阀门有所不同。具体有以下几点：      

 1、国产天然气阀门概述材料      

因管线输送的天然气在脱硫前含有大量的硫化氢(这是一种有毒且腐蚀性*的91视频黄色网，它和铁反应生成硫化铁，能呈片状剥落，穿蚀机械设备)。即使经过脱硫等工艺处理的天然气，仍有残存的硫化氢。故管线阀门选材要选耐腐蚀的抗硫材料。      

 2、泄漏量      

    天然气管网大多建在城市的边缘，运行和管理不像一般工厂，经常有工人进行操作、维护和检查。一般城市天然气管线都在上百公里以上，只能定期巡逻、检查，而且有时管线需要通过情况复杂的地区，介质的漏失可能会带来严重的火灾事故。尤其是离城市较近的管线，防止阀门的外漏显得尤为重要。      

     天然气阀门的泄漏量要求十分严格，通常埋地和较重要的阀门都采用阀体全焊式结构。为了保证管线阀门的密封性能，要求密封副具有优良的耐蚀性、耐磨性、自润性及弹性。近年来高分子材料的发展为管线阀门密封材料的选择提供了广阔的选材天地，如聚四氟乙烯、尼龙、橡胶(NBR)、特殊合成橡胶(VITON)等。       

 3、国产天然气阀门应用场合      

  管线一旦投入运行，几年内不允许停止运行，运行的时间越长越好，不像一般化工厂或炼油厂，有大修期。管线输送的天然气面对着整个城市的大量用户，有居民、企业、工厂等，特别是以天然气为原料的企业用户，不允许有片刻间断。串联在管道上的管线阀门一旦失灵，后果不堪设想。因此管线阀门的主要密封易损件如阀座等零件就要求寿命长。一般主干线管道阀门使用寿命要求30年以上。        4、国产天然气阀门驱动装置      

    由于管线输送压力高、口径大、开关时间快，管线阀门需要采用大扭矩驱动装置。如电动或气动装置、气—液联动或电—液联动装置。驱动装置还要有防爆要求，要求EExdIIBT4，防护等级IP68。因管理控制人员一般在站内或控制室，因此要求管道一旦发生破裂等重大事故时，管线阀门能自动切断。管线阀门要求操作力小，在温度、外力变化产生影响时，能实现准确操作。特别是紧急切断阀，必须能够处于全开状态，必要时迅速闭锁管路。同时，要求阀门的开闭位置和开度指示器准确、易懂，满足适当的开关速度。

2.1天然气管道发展趋势对阀门的影响 
2.1.1天然气管道建设趋势 
当前世界的输气管道建设发展的总趋势是：长运距、大口径、高压力和网络化，逐步形成大型的供气系统，向极地和海洋延伸。 
1、长运距 
世界天然气资源丰富，但是分布不均衡，大型气田大都远离消费中心，同时天然气贸易量迅速增加，这些都促使输气长距离管道建设的发展。1946年前苏联建成*条长距离输气管道，该管道起点萨拉托夫，终于莫斯科，管径325毫米，长788千米，输气压力为7.5兆帕。1986年建设的美国阿拉斯加输气管道，纵贯加拿大并延伸到美国本土中西部地区，管道总长度7764千米。我国西气东输一线干线长为3840千米。 
2、大口径和高压力 
一般来说，在输气量可以准确预测的情况下，建设一条高压大口径管线比平行建几条低压小管线更为经济，因为输气管线的输送能力与管道直径的2.4次方成正比，所以，增大管径是提高管道输送能力的有效措施。例如，一条914毫米直径的管道其输气能力是304毫米直径的管道的17倍；一条直径为1420毫米，输送压力为7.5兆帕的输气管道可以代替3条直径为1000毫米，输送压力为5.5兆帕的管道，并且前者可以节省投资35%，节约钢材19%。苏联是世界上首先大量采用1020毫米以上输气管道的国家，1962年初输气干线的大管径为1020毫米，其总长度为1276千米，到1975年1020毫米、1220毫米、1420毫米大口径输气干线的合计长度占全苏联天然气输气干线总长度的比例由1962年的5%增至39.2%。目前，为增加输气量，降低输气成本，新建输气干线中大中口径的管道的比例逐渐上升。天然气管道直径在1000毫米以上的超过千米。陆上输气管道工作压力一般为7.5~8.0兆帕，阿拉斯加输气管道美国东部支线的工作压力为10兆帕，穿越西西里海峡的阿意输气管道大工作压力15兆帕。我国西气东输二线采用1219毫米管径，12兆帕和10兆帕设计压力。输气管道向更高压的方向发展是一个趋势，在一定程度上反映了一个国家输气管道的技术水平。 41012×3、跨国贸易日益活跃，输气干线网络化、化 。
随着天然气需求量在世界范围内的剧增，将进一步促进干线输气管道和地区性管网的建设。建设输气管网，使输气系统网络化，已经成为世界天然气储运的主要发展趋势之一。自六十年代以来，随着天然气产量和贸易量的增长及消费市场的扩大，已先后形成了一些洲际的、的、全国性的和地区性的大型输气管网，通过由若干输气干线、多个集气管网、配气管网和地下储气库构成，将多个气田与成千上万的用户连接起来。多气源、多通道，保证供气系统的可靠性和灵活性。前苏联的统一供气系统，向东西欧地区供气，是当今世界上规模大的天然气输送管网，连接了数百个气田、数十座地下储气库及1500多个城市，管道总长已经超过千米。整个欧洲是世界上输气管道密度大的地区，欧洲的输气管网已从北海延伸到地中海，从东欧边境的中转站延伸到大西洋，阿意输气管道的建成实际上已将欧洲的管网与北非连接起来了。而阿尔及利亚——西班牙的输气管道终将延伸到葡萄牙、法国和德国，与欧洲输气管网连成一体。此外，中国*条跨国陆上天然气管道——中亚天然气管道已经建成。大量跨国输气管道的相继建成并与原有的大输气管网并网，将会形成统一的输气管网系统。 41030×2.1.2天然气管道的输送工艺 20世纪80~90年代是油气管道技术发展的成熟期，各项技术飞速发展。目前世界范围内的管道工程建设呈现出合作的趋势，管道的设计、建设、运营管理更加注重成本效益，新技术的开发不断涌现。 

1、采用大口径、高压输送技术 
一般来说，在输气量可以准确预测的情况下，建设一条高压大口径管线比平行建设几条低压小管线更为经济。国外干线天然气管道直径一般在1000毫米以上，例如，苏联通往欧洲的干线天然气管道直径为1420毫米，的阿意输气管道直径为1220毫米，同时国外大口径管道的施工技术也非常成熟。西欧和北美地区的天然气管道压力普遍都在10兆帕以上，像阿意输气管道高出站压力达21兆帕（穿越点处），挪威Statepipe管道输气压力为13.5兆帕，新近建成的Alliance管道大许用运行压力为12兆帕。我国西气东输一线，直径为1016毫米，压力为10兆帕。西气东输二线，直径为1219毫米，压力为12兆帕。 
2、采用钢材料 
采用钢材料可以减少壁厚，减轻重量，缩短焊接时间，降低焊接工艺，大大降低材料的消耗量和建设成本。 
3、管道减阻技术 
国外输气管道采用内涂层后一般能提高输气量6%~10%，同时还可以有效减少设备的磨损和清管次数，延长使用寿命。我国西气东输管道在国内采用减阻技术，据报道，采用该技术后科节省3座压气站，节省投资7亿元，每年节省运行费用1.55亿元，还可以减少清管次数，缩短管道干燥时间，减少管壁物质沉积等。 
4、高压富气输送工艺技术 
富气输送工艺是指输入管道前只将天然气中的水、硫化物和部分液体脱掉，而将乙烷、丙烷、等重烃气（凝析液的主要成分）保留在天然气中一起以气态单项输送的工艺，富气输送工艺是含凝析液的湿天然气管输工艺的一种。管道采用富气输送工艺时由于压力高热值也较普通干气输送的天然气高，减压波速很低，这样就要求材料具有较高的防止脆性断裂和延性裂纹扩展的韧性，因此断裂控制是富气输送工艺的关键技术。对富含凝析液的天然气采用富气输送技术将会产生巨大的经济效益。主要是因为：富气输送管道中的天然气总热值的提高，使管道的输送效率得到提高；随着乙烷等重烃气组分的增加使管输天然气的密度增加，这使得天然气的压缩系数降低，即天然气更容易压缩，因此压缩机需求的功率就会降低，相应的燃料消耗也会降低，运行成本降低，废气排放减少。 
另外，现代天然气管道输送还需要完善调峰技术，提高压缩机组功率，完善管道输送技术软件等。

第三章 天然气管道常用阀门 
阀门的种类多种多样，应用范围相当广泛。天然气管道常用的阀门主要有管道球阀、平板闸阀、旋塞阀，91视频看看簧色、强制密封阀等，其中以管道球阀应用。 
3.1管道球阀 
3.1.1管道球阀的发展 
管道球阀经过半个多世纪的发展，在结构设计上形成两大流派。一派以美国Cameron公司为代表，采用全焊接球状阀体结构。属于这*派的有德国的BORSIG公司和Schuck公司，美国的Larsen&Toubro公司，日本的KITZ公司TIX公司，TUBOTA公司，以及俄罗斯的Tyazhpromarmatuva公司。另*派以意大利的Grove公司为代表，采用非提示筒状结构和在此基础上发展起来的全焊接筒状阀体结构。同属于这一类的有意大利的NuovoPignone公司，PCC公司，PERAR公司，PIBIVIESSE公司，B.F.E公司，FCT公司，美国的PBV公司以及捷克的Czechoslovikia公司。 
美国Cameron公司产品的技术特征是：全焊接球状阀体，尼龙或PTFE密封材料，可转动阀座，上下阀杆轴支撑，进口端密封，出口端腔体压力自动向下游段泄放。该公司在五十年代就完成了全焊接球形阀体结构，以其高可靠性广泛应用于油气长输管道中，如美国阿拉斯加原油输送管道。 
意大利Grove公司生产的球阀以双活塞效应，防爆橡胶O型圈或PTFE密封材料，支撑板支轴球结构，分体式阀体，便于维修，广泛应用于油气长输管道的场站和增压站。其后发展的圆筒状或准圆筒状全焊接阀体球阀在长输管道中亦用作紧急切断阀。在某些需要在线维修的场合，可以选用上装式结构管线球阀。 
在其后的发展过程中，上述两种技术互相借鉴，互相交融。Cameron公司的Dynaseal370系列产品极为分体式结构，与全焊接阀体产品配套销售；Grove公司也推出准球状的全焊接阀体结构在主管线中获得应用。而其他公司如TIX，TITZ则吸收两大流派的优点，根据各自制造工艺特点，推出球状全焊接阀体，双活塞效应，橡胶密封材料的管道球阀产品，综合了各流派的技术优势。 
3.2.2管道球阀的结构特点及工作原理 
1、阀体 

阀体可分为全焊接阀体设计和分体式阀体设计。 全焊接阀体设计有筒状结构和球状结构，筒状结构制造工艺较简单，便于装配定位，返修容易实施，坯件制造所需模具简单，费用相对较低，而且方便采用支撑板对球体进行固定。但重量大，材料成本高。同时由于多采用双焊缝，焊接过程热输入量大，残余应力复杂，轴向和径向变形大。在阀门安装在管线上后，阀体承受极大地管道应力和管线载荷，同时由于安装误差、底层运动和热变应力等因素影响，产生的外力和扭矩是相当大的，厚度比较大的圆柱形阀体能够更可靠的承受管线载荷，不易产生变形。球形阀体结构受力状况优于筒形阀体结构，抗弯曲、抗挤压能力强，阀体设计壁厚小，重量轻，结构整体性能好，但其制造工艺相对复杂，在阀内做球体支撑不易实施，一次性开模费用较高，但批量生产成本低于筒状结构阀门。目前，球状阀体结构有三种焊接形式：

*种是两纵两环焊接形式，Cameron公司的全焊接球阀即使这种焊接形式。这种结构阀体成型所需模具相对较为简单，模具费用低，但焊缝多，焊接变形大，装配定位难度大，T字形焊缝容易产生应力集中。

第二种球形阀体结构是，左右两个阀体为球形，中间为圆柱形，三体通过两道对称纵向焊缝组焊而成，这种结构工艺性较好，便于返修和发干部分的安装，对于大口径全焊接球阀尤为适合，目前新比隆公司等采用此种结构。

第三种是采用单条焊缝焊接的阀体结构，现在由于工艺技术进步，采用左右阀体热锻压成型，在中间单焊缝焊接成型，焊缝少，减少先能量输入，降低轴向和径向变形，且焊缝远离阀座，焊接热不易损伤阀座，因此可以以较高的焊接电流和速度进行焊接，此种结构阀体成型需要专门模具，模具费用相对较高，如一次装配试验不成功，返修比较困难，目前Schuck等公司采用此种结构。 
分体式结构又分为侧装式和顶装式两种。一般由阀体和左右连接体组成，连接体与阀体由螺栓连接，连接法兰厚度与螺栓的连接强度应按与阀体内径相当的法兰进行类比设计，其连接强度必须防止管道盈利而产生连接松弛，使密封失效。阀体与连接体面对面接触，中间无间隙。密封必须满足失火安全要求，采用橡胶“O”型圈与缠绕式金属垫组合密封。但是随着近年来全焊缝阀体技术的快速发展，已经逐渐取代了具有外漏危险的分体式结构。 阀体的材料为锻件，温度-29°以上选用ASTM A105；-25°以下选用ASTM A350 LF2。对于焊接阀体，对A105或LF2材料的化学成分、含碳量、碳当量以及硫、磷等元素应另有特殊限制。锻件按三级锻件标准验收，做99%无损探伤，焊缝处做着色检查和超声波探伤。 
2、阀座及密封 
阀座密封结构是全焊接球阀的关键技术，它直接影响球阀的密封性能和使用寿命，为确保其密封性能的可靠性和30年以上使用寿命的要求，通常在结构设计上采取以下措施： 

（1）双活塞效应的双密封阀座结构 
双活塞效应是指在这种结构里，阀座与球体密封中心与发作密封圈的中心在一个圆柱面上，如图3-1所示，阀座支撑圈和阀座密封圈均为可以移动的活塞，同时具有两个活塞。所谓双密封座，是指就一个阀座而言，在两个方向均能实现密封的阀座结构。即当上游介质压力高于中腔压力时，介质压力会推动阀座密封圈向球体移动，使上游侧推力与中腔侧推力形成的压力差，从而使阀座与球体抱得更紧，增加密封比压，满足密封要求，也就是当上游压力高时能够实现密封；当中腔压力高于上游压力时，中腔压力会把阀座密封圈推向上游侧，而改变阀座上下游侧的受力面积，使中腔介质推动阀座支撑圈的推力大于上游侧介质推动阀座支撑圈的推力，形成的压力差，这个压力差仍然使阀座与球体抱得更紧，实现密封。所以这种结构无论上游侧压力高还是下游侧压力高，阀座都会紧紧抱紧球体，满足密封需要，因此叫双密封阀座。

2）自泄压式的单密封阀座结构 
如图3-2所示，这种结构的阀座密封圈是固定的，只有阀座支撑圈可以移动，因此，这种结构又称作单活塞效应阀座。该结构阀座密封圈到阀门中心的距离A大于阀座与球体接触点到阀门中心的距离B，当上游压力高于阀腔压力时，上游压力会把阀座支撑圈推向球体，使阀座和球体紧密结合，实现密封。当中腔压力高于上游或者下游压力时，中强压力将把阀座支撑圈推离球体，是阀座和球体脱离接触，从而使中腔压力得以向低压的上游或者下游泄放。 
双活塞效应的双密封阀座结构对全焊接球阀来说是一种非常有效地密封结构。由于要求确保30年使用寿命的全焊接球阀来说，是非常必要的，因为在阀内两个阀座中，任何一个阀座受损，另一个阀座仍然可以独立的起作用，保证密封。而对于自泄压式的单密封阀座结构来说，当一端阀座损坏后，介质会进入中腔，中腔压力将增大，而中腔压力的增大将会 图3-2 自泄压式的单密封阀座结构 削弱另一端自泄压阀座的密封能力，当中腔压力高于下游压力达到设计值时，就会发生泄露。因此，就密封可靠性而言，双密封阀座结构优于单密封阀座结构。然而，正因为双活塞效应的双密封阀座结构不会自动泄放中腔介质压力，当阀门处于全开全关位置时，截留于中腔内的介质可能由于温度的急剧变化，使阀腔出现异常增压，经计算，当截留于阀腔内的91视频黄色网温度由-30℃上升到70℃时（这种情况可能出现在我国的西北，在严寒的冬天，对阀门进行了开关，此后一直到来年炎热的夏天，都没有启闭过阀门。）阀腔压力会升高到原来的1.41倍，这种压力的升高对阀腔来说是不安全的。因为，91视频黄色网是可压缩的，温度升高，对阀腔压力影响还不是很大；如阀腔充满的是液体介质，因液体的不可压缩性，温度升高，阀腔压力会升高更快。因此为保证阀腔的安全，对两个阀座均为双活塞效应的双密封阀座结构的全焊接球阀，必须在阀腔安装压力泄放阀，泄放阀的泄放压力通常设计为公称压力的1.1~1.33倍，泄放阀的通径通常in2。 对于管道球阀阀体的密封方式通常组合密封方式，常用方法主要有下面三种： 

（1）初级金属密封，次级软密封 
金属密封可以减少管道内的杂质对软密封阀座的冲刷和擦伤，延长软密封阀座的使用寿命，同时金属密封承担了大部分来自管内介质对阀座支撑圈的推力，使阀座受力减小，避免了软密封阀座因为过载而受到伤害，金属阀座采用不低于阀门球体的材质。 
目前软密封阀座的形状主要有两种，一种是Δ形的，一种是O形的，这两种形状的密封所用的材料以VITON AED（抗爆氟橡胶）为主，密封原理和性能一样。Δ形比O形的制造难度大，但形阀座的装配难度小，发作草的加工难度也小于O形密封槽。国外大部分采用形密封，少数企业采用O形密封，国内企业以ΔΔΔ形密封为主。 
（2）初级金属密封，第二级尼龙密封，第三级橡胶软密封 
目前国内外少数企业采用三级密封方式，设计这种结构是考虑到管道有很多杂质，这些杂质经常会把球面、阀座损坏，造成阀门内漏，增加一道尼龙密封，阻挡管道内的杂质对阀座的冲刷。在阀门开关过程中，尼龙还起到把球体表面的杂质刮掉的作用，从而保护了第三级的橡胶软密封，有利于延长阀门的使用寿命。但这种结构的尼龙阀座装配难度比较大，如不采取有效措施，在阀门开关过程中，尼龙阀座会从阀座槽中脱离出来。再有由于安装空间所限，尼龙阀座不可能做得比较宽，这样尼龙阀座很可能因过载而加速损坏，影响其实际效果。 

（3）尼龙阀座密封结构 
目前有少数企业如Cameron等采用尼龙阀座密封结构。尼龙、增强四氟、PEEK等密封材料常用于分体式高压球阀，在全焊接球阀中并不常使用，因为这些材料相对于viton等氟橡胶类材料来说，比较硬，材料的承压能力强，但回弹性差，容易受到管道内的焊渣、铁锈、沙子等杂质的擦伤、冲刷，其补偿性能差，使用寿命难以得到保证，Cameron为提高阀门的使用寿命，采用了旋转阀座结构设计，位于阀门3、9点钟位置的阀座，在阀门开启过程中，先与介质接触，容易受到介质的冲刷，为使阀座能均匀受损，在阀门每开关一次，阀座旋转一定角度，有利于延长阀门的使用寿命。但这种结构大大增加了启闭力矩，对不启闭的阀门，更容易出现卡死。 
另外，以上三种密封方式常与具有紧急密封作用的注脂系统一起使用。该系统由注脂阀和止回阀组成，分别安装于阀体外侧的阀座部位和阀杆填料函外径上。该系统是一种补救措施，可以在紧急状态下阻止或减少管线阀门密封座的泄露，将阀门的*维护延迟到下一个预定的管线关闭期。注脂之前，需要对阀座密封部位进行冲洗，且在此过程中阀门需打开15度左右三至四次，以*清洁球体与阀座的接触面。注脂后，要测试密封效果。  
3、阀杆及密封 
阀杆密封结构也是全焊接球阀的关键技术之一，此处密封性能若出现问题，介质就会外漏，造成环境污染、引发火灾等严重后果，因此务必高度重视。图所示结构是目前比较常用、也比较有效的一种阀杆密封结构，它由两道O型圈构成两道密封防线，辅以一道柔性石墨密封，保证了密封的可靠性。柔性石墨密封在发生火灾时可以有效地减少介质的外漏。有人将两道O型圈密封分开，当阀杆密封出现泄漏时，可以对外层密封在带压情况下进行检修更换，这种结构更加、合理。国外部分设计在阀杆密封处采用一道O型圈、一道柔性石墨、一道弹簧制动密封圈结构，这种结构将三种不同密封材料的优点，集合在一起，形成全天候、满足多工况的密封要求。O型圈回弹性好，密封可靠，但耐高温、低温性能差，抗老化性能差；柔性石墨耐高温性能好，回弹性差，密封不是很可靠；弹簧制动密封圈是一种U形PTFE内置特殊弹簧的高性能密封圈，由适当的弹簧力加上系统流体压力，将密封面顶出而压在被密封的金属面以产生非常优异的密封效果，聚四氟乙烯抗老化、耐低温，适用介质广泛，弹簧的推力可以弥补密封面的磨损及阀杆表面的微观不平，是密封更长效、更可靠，这种结构特别适合于含硫天然气项目。 
4、球体与支承轴 
球体的加工精度，圆度，化学镀镍，镀层厚度高于阀座的镀层。对于大口径，高压力级阀门球体，应作球体变形计算，这种变形足以引起密封失效。 
mm005.0≤球体的支撑结构有两种，一种是以支撑板支撑球体，阀杆和球体是独立的，介质推力通过支撑板传递到阀体上，阀杆不承受介质推力，这种结构可以大大降低阀门的启闭力矩，有效保护阀杆密封，基本上筒形结构阀体都采用这种结构。另一种结构多用在球形结构阀体上，球体的支撑靠上下阀杆，通过上下阀杆将介质推力传递到阀体上，这种结构阀杆要承受介质的推力，因此启闭力矩大，阀杆受力会加速阀杆密封的磨损。 
5、防火结构 
管道阀门需要具有火灾安全功能，则其结构必须为防火型，而其防火结构的设计应主要考虑：阀座的防火结构设计，阀杆防火结构设计，阀体与左右体结合面的防火结构设计。其中，阀座防火结构设计是关键，阀座的防火性能良好，在火灾事故状态下，可减轻阀杆防火结构、阀体与左右体之间防火结构设计的难度。目前常用的方法就是在阀杆及阀座支撑圈部分都加设了石墨密封，石墨密封耐高温性能好，在发生火灾的时候可以有效地减少介质的外漏，具有良好的防火作用。 
6、防静电设计 
由于球体及阀杆与非金属材料接触和摩擦，产生静电，因此在阀杆上/下位置设置导静电弹簧，将静电导通至阀体，并按照标准规定，使球体与阀体及阀杆与球体之间在12VDC以下，电阻值在10欧姆以下。 
7、DBB功能设计 
DBB（双截断和排放）功能设计是指无论是阀门处于开启状态还是关闭状态，阀腔泄压排放时，上游端和下游端阀座应同时截止，并允许从排泄阀处对在线阀门进行阀座密封性能测试，而不影响管线运行。 
6、其他设计结构 
其他结构设计如放空、排污、注脂、吊耳等，国内外没有差异。 

3.2旋塞阀 
3.2.1概述 
管道旋塞阀是用于长输天然气管线及场站控制系统的切断阀门，是一种满足天然气管线特殊要求的阀门。要求阀门具有适应恶劣的环境，30年以上的使用寿命，双向零泄漏，耐火和防静电，耐酸性介质腐蚀，以及操作省力等特殊技术性能。目前，国内天然气管线及场站控制系统使用的旋塞阀全部采用进口的倒装平衡式油密封旋塞阀。 
3.2.2旋塞阀结构特点及工作原理 
倒装平衡式油密封管道旋塞阀采用倒装阀芯压力平衡式油密封结构。包括阀体、阀盖、阀杆、旋塞体、联轴平衡环、阀杆密封组件和安装件。 
1、阀体 
阀体采用倒钟式结构，整体铸造，强度高，刚性好，受力均匀，阀体、阀门质量中心与管道中心基本重合，操作稳定性好。阀体密封锥面采用高速精磨加工，并经研磨后表面粗糙度小于Ra0.8。 
2、旋塞 
旋塞采用倒装式旋塞，整体锻造，精密机械加工并研磨后表面粗糙度可达Ra0.4。旋塞表面采用氮化、镀镍磷合金或者喷涂硬质合金等表面处理手段提高表面硬度；超音速喷涂硬质合金的表面硬度可达HRC65以上，镀镍磷合金并经热处理后，其表面硬度可达HRC58~60。在油膜润滑下具有*的耐磨性能。 
旋塞锥体的上部有一止回阀，可补偿阀腔上部的注油压力。旋塞的下部开有平衡孔，可将介质压力引入旋塞底部，使旋塞压紧阀体，起到密封作用。 
3、摩擦副 
密封副采用金属密封结构加注油脂密封，由于密封油脂的填充占位作用，介质中的固体颗粒物不会进入密封面，对密封面有非常好的保护作用。因为油脂的润滑，使得阀门操作力矩小，操作省力。 
特殊的非对称油槽设计，转动旋塞时密封脂自动加注无泄漏，*保证油膜完整，密封可靠。这种非对称的油槽设计油耗损失非常小，延长了油脂的加注时间和使用周期。 
锥面密封，密封接触面积大，油膜润滑，使用寿命长。

4、阀杆及阀杆密封阀杆的强度和密封性能是影响阀杆操作及阀门整体性能的主要因素之一。阀杆的受力主要来自于填料处的摩擦力、操作扭矩及介质的推力。阀杆与旋塞采用滑环式连接方式，可减少阀杆中心与旋塞锥面的同心度误差，改善阀杆的受力条件和操作性能。阀杆采用防飞出设计，可在线更换填料密封件。阀杆密封采用防火填料、O型密封圈、加注密封脂三重密封设计，阀杆机加工后表面粗糙度可达Ra0.4，*阀杆密封地泄漏要求，可可靠工作，免紧固维修。阀杆整体锻造，并加调制处理，强度高韧性好。阀杆表面采用氮化或镀镍磷合金，表面硬度高，抗摩擦磨损。 
5、阀盖及底部结构 
底部阀盖是阀门底部承压部件，同时又是底部密封垫片、底部调节杆的固定和安装支撑件，要求具有高的刚度和强度。底部阀盖的密封采用整体密封垫*隔离式结构，在保证阀盖螺栓紧固时阀门具有可靠的密封。安装在阀盖底部的调节杆采用内置式结构，调整完成后旋紧压盖*零泄漏。底部调节杆支持阀芯，导出阀芯因各种原因产生的静电。 
其工作过程是通过阀杆旋转90度使阀芯上的通道口与阀体上的通道口接通或断开，实现阀门开启或关闭。通过该阀阀腔上部设计的注油脂阀注入密封油脂，该油脂在注入压力作用下通过阀芯表面的特殊油槽均匀地涂在密封面上，形成致密的油膜层，实现阀门双向密封并起到润滑密封面的作用。在阀芯大端开有流通的小孔，使管道介质能进入阀芯底部，阀芯在底部介质力推动下向上紧贴阀芯倒锥面。阀芯小端装有单向阀，当阀腔上部的油脂压力低于介质压力时管道介质通过单向阀进入阀体上腔以补充油脂压力。同时阀芯在上腔油脂压力及阀芯自重作用下与阀芯底部向上的介质推力保持平衡，可以大大减轻密封面的密封比压，降低阀门操作力矩，延长阀门使用寿命。 
阀芯表面硬化处理并开有特殊油槽回路，阀体外有双密封油脂注入装置，一个是通过注入油脂对阀杆实现紧急密封，另一个是将油脂注入到阀体上腔。锥形旋塞体的小端通过平衡环与阀杆连接，阀体底部阀盖上装有调节支撑，可以调整阀芯的位置。阀门采油防火设计，有静电导出装置，过流通道按照API 6D的规定有全径、规则孔及文丘里孔。阀门材料可采用碳钢、低温钢、不锈钢及合金钢。驱动方式有电动、气动、手动等。 
该种管线旋塞阀与传统衬套式旋塞阀相比具有以下特点： 
一是密封可靠，使用寿命长旋塞阀靠锥面密封，密封接触面大，油膜起到润滑和密封的作用。采用注油脂密封，在旋塞的开关运动过程中能将密封油脂均匀涂在密封面上，有效润滑密封面。同时因密封油脂的填充占位及开关过程的擦拭作用，介质中所含的固体颗粒不会进入密封副内，而在全开时间可以*防止与流动介质接触，有效保护密封副。

3.4.1强制密封阀的发展 
1946年美国将军阀门公司（General）推出了*代A型系列的强制密封阀，但是该系列阀门存在很多缺陷：操作机构处于介质中，如果对操作机构进行维修、维护和保养必须停工及防空管线，需要耗费大量的人力、物力和时间；另外，软密封占据全部密封面；同时阀门没有设计成防火安全结构。为此，1953年，美国将军阀门公司推出了经改进的B系列阀门，该阀门进行了如下改进：一是通过压盖及填料密封是操作机构与输送介质*隔离；二是软密封通过粘接形式固定在滑片的沟槽内，并由金属滑片对软密封起到保护作用；三是为阀门了防火安全设计。到1958年，该公司推出的新一代产品可以实现无需管道停工卸载，可在线维修。之后经过多年的发展，目前的强制密封阀在阀体密封、操作机构结构、软密封的粘接、防火、热释放系统及阀门组件镀层等方面都有了很大的改进。 
我国在上世纪80年代末期才开始使用进口的强制密封阀门，而到了90年末，我国才开发出自己的强制密封阀门，并开始在场油库、机坪使用。目前，强制密封阀门已经在我国的机场、大型油库、石油石化、长输管道中得到应用。 
3.4.2强制密封阀门的结构及工作原理 
强制密封阀门，主要由阀门、上盖、底盖、滑片、旋塞、操作机构等组成。 
强制密封阀门的密封件（滑片）与旋塞的连接采用导轨式结构。阀门在开启的过程中，先通过传动机构将旋塞提升到一个高度，随着旋塞的提升，两只滑片逐步被旋塞向阀门中心拉回，当滑片密封面*脱离阀体密封面并形成一定的间隙，继续通过传动机构使旋塞与滑片一起旋转90°到阀门开启。阀门在关闭过程中，先通过传动机构使旋塞与滑片一起转动90°（阀门处于关闭状态，但未形成密封），继续通过传动机构将旋塞推下，随着旋塞向下移动，从而推动滑片向阀体两边密封面靠拢，直至滑片上的弹性密封圈被均匀地挤压到阀体两边的密封面上，形成密封。 
强制密封阀门的关键技术主要有下面几点：

1、中法兰密封 
强制密封阀大部分用于煤油、天然气、液化石油气、成品油等，由于煤油、天然气等介质具有很强的渗透性、且易燃易爆，必须*杜绝介质无外泄漏。在中法兰处采用O型圈加缠绕垫片双重密封结构，如图3-3所示。 图3-3中法兰密封 

2、填料密封 
强制密封阀的阀芯在阀门开关过程中，既要上下移动又要进行旋转移动，加上介质的特殊性，要求填料密封安全可靠，常采用内外O型圈与填料密封的组合密封方式。 
3、阀门中腔超压泄放功能 
双密封的阀门，必须具有泄放装置和功能。泄放的压差是因环境温度的变化而产生的。双密封阀门在关闭状态下，阀门中腔的介质随环境温度的升高体积膨胀，压力逐步升高，如果不及时泄放掉该压差，将会对阀门的操作产生严重影响，甚至出现阀门的胀裂，给系统的安全造成严重隐患。双关双段阀通常有三种泄压系统： 
（1）手动泄压系统（用于手动操作阀门） 
通常为安装在阀体上的针型阀，当阀门关闭后，开启针型阀，将阀体中腔介质泄到管道上游或大气中去。 
（2）差热式泄压系统（用于手动、电动操作阀门） 
是一带有单向阀的管路系统，手控泄放阀、三通、单向阀、隔离阀构成差热式泄压系统。隔离阀保持常开，当阀门关闭后，通过单向阀将阀体中腔的过压泄放到阀门上游与管道接通。同时开启手控泄放阀可以检验阀门的密封效果，阀门开启时必须将手控泄放阀关闭。 
（3）自动泄压系统（用于电动操作阀门） 
阀门关闭的同时，通过操作机构将泄压阀自动开启，将阀腔与管道上游或外界连通。

4、阀门的操作机构及自锁性 
双关双断阀的操作机构采用*的“L”型槽结构，将旋塞的轴向直线移动和90°旋转运动分开，使阀门操作灵活、轻便。旋塞开始做直线运动，之后做旋转运动。为了减少手轮的转动圈数，一般阀杆与螺套的梯形螺纹采用双头或多头。齿轮传动机构本身具有自锁性，梯形螺纹为重型梯形螺纹，可以承受更大的载荷。 

还有一种阀门，导向槽的设计为S形状，该形状在螺套圆柱面上近为S型螺旋线，其动作原理是旋塞初始做直线运动，之后既作直线运动，又做旋转运动，导向键承受更大的剪切力，对导向键的强度有很高的要求；而且旋转需要设计较大的行程，否则，易造成软密封面与阀体密封面的摩擦，使操作力矩更大，阀门的寿命缩短。因此，“S”型导向槽结构存在致命的设计缺陷。 
5、关键零部件的特殊工艺处理 
由于阀门工作条件恶劣，所以需要对阀门的关键零部件进行特殊工艺处理。阀体内腔机械加工后，经镀硬铬处理，使阀体内腔具有耐锈蚀、耐冲刷、耐磨损、抗腐蚀性能。滑片机械加工后（压氟橡胶前），经镀硬铬处理，使滑片金属密封面具有耐锈蚀、耐冲刷、耐磨损、抗腐蚀性能。旋塞机加工后经镀镍处理，旋塞及上下轴耐锈蚀、耐腐蚀。阀杆粗加工后，进行调处理，精加工过后进行渗氮处理，提高与螺套的抗咬与抗磨损性能。螺套上的L型导向槽及导向键头部加工后进行淬火处理，提高耐磨性能，保证导向键能在导向槽内自由滑动。第四章 天然气管道阀门的发展方向及市场前景 
4.1天然气管道阀门的发展方向 
随着天然气管道阀门的不断创新，在传统管道阀门继续发挥作用的同时，许多新结构、新功能的阀门也逐渐地应用到天然气管道中。在今后的管线阀门发展中，管线球阀以其自身的优势将继续作为管线阀门的主力军；旋塞阀将作为一种补充切断阀门用于天然气管线及场站控制系统中，是一种满足天然气管线特殊要求的阀门；平板阀门将主要应用于输送原油和成品油的管线以及压力超过CL900~2500Lb的天然气管线中；而强制密封阀门将作为一种特殊阀门越来越多地应用于计量系统、计量标定系统、多支管混输系统、罐隔断及频繁操作的系统中。 
近年来，随着新功能材料的开发和机械加工制造技术的不断完善，天然气管道阀门有了飞速的发展。纵观世界范围内的阀门设计技术，主要呈现出以下特色：一是阀门的设计更专注于具体应用的解决方案；二是阀门的设计更多的引入计算机仿真和模拟技术；三是阀门的设计标准日趋严格和具体；四是适应安全、环保的各项标准正在被主流的用户广泛接受，并逐渐成为一种趋势；五是新材料的应用日趋广泛；六是设计标准向着快速更新和不断细化的方向发展；七是各种新型验证技术正成为阀门设计的新手段和新方法；八是多学科的兼收并容是阀门设计未来发展的主流方向。 
世界范围内的阀门生产制造，主要呈现出以下特色：一是阀门的产业链格局已经形成。中国成为阀门制造领域*的一员，并影响整个世界阀门市场；二是现代装备大量应用，阀门制造工艺水平得到提高；三是材料表面处理技术得到广泛应用；四是各种焊接技术在阀门的制造中起到越来越重要的作用；五是个性化特殊需求的市场正在逐渐形成，敏捷生产、针对特殊应用工况的阀门制造将成为未来的一种发展方向。 
4.2天然气管道阀门的市场前景 
21世纪，随着天然气资源的不断开发，人们对天然气的利用将达到一个崭新的高度，世界将迎来天然气开发的春天。天然气专家预测，在2030年前，天然气供应量将增加1.6万亿立方米，而天然气上中下游价值链系统的投资将达到10万亿美元。以建成西气东输工程为标志，我国天然气工业也进入快速发展期，取得了勘探开发、管道建设、市场开拓等多方面的巨大成绩。2000年以来每年新增天然气探明地质储量4000亿立方米以上，探明了苏里格、克拉2、迪那、普光、须家河、涩北、徐深等一批储量规模千亿立方米以上的大气田，天然气产量由200亿立方米增加到近800亿立方米，成功投入开发了复杂的大型深层异常高压气田、大面积低渗低丰度气田；相继建成西气东输一线、二线、陕京二线、涩宁兰、忠武线等大型输气管线，大型管道将设技术达到了水平；天然气市场快速拓展，除个别省、自治区外，供气范围基本覆盖全国，提高了亿万人民的生活质量。 

天然气工业和天然气管道建设的快速发展将直接推动天然气管道阀门的发展，全长4200公里从新疆轮南到上海的西气东输工程建设成功，场站和支线上的阀门，单单管线球阀就需要5000多台，极大地带动了我国管道阀门的发展。目前，西气东输二线4000公里将要开建，同时还有5条拟建的管线，总长超过10000公里。由此可见，二十一世纪天然气工业的发展，将使管线阀门在技术上获得进步，在商业上迎来无限的机遇。与本文相关的论文有：阀门在燃气管道的应用。