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          管線球閥的閥體是一個承壓部件，除了承受內(nèi)部介質(zhì)的壓力之外，還需承受外部載荷，如地基沉降、山體滑坡、洪水、泥石流和地震等自然災害引起的彎曲載荷，以及由于晝夜溫度變化、冬夏季節(jié)性溫度變化引起的拉伸。

          管線球閥的閥體是一個承壓部件，除了承受內(nèi)部介質(zhì)的壓力之外，還需承受外部載荷，如地基沉降、山體滑坡、洪水、泥石流和地震等自然災害引起的彎曲載荷，以及由于晝夜溫度變化、冬夏季節(jié)性溫度變化引起的拉伸和壓縮載荷。在寒冷及冰凍地區(qū)應考慮管線閥體材料的低溫沖擊韌度，以防止低溫脆裂。管線球閥在輸送石油和天然氣過程中，不可避免地存在焊渣、鐵屑和砂粒等物質(zhì)。為保證管線球閥在30a服役期內(nèi)*“零”泄漏，其閥座需設計成組合密封結(jié)構(gòu)。

    組合密封結(jié)構(gòu)特征為：①金屬對金屬的初始“密封”，以阻擋固體顆粒進入次級密封；②用PT-FE、NYLON或橡膠等軟密封材料作為次級密封，保證*“零”泄漏；③緊急情況下（如軟密封或球面出現(xiàn)劃痕），通過緊急密封系統(tǒng)注入密封脂，滿足緊急狀態(tài)下臨時密封的需要，將閥門的維護延遲到下一個預定的管線關閉期。

    閥體和組合密封閥座是管線球閥的關鍵部件，其材料選擇的正確與否及質(zhì)量控制是否到位直接決定閥門是否能夠滿足苛刻的工況要求。

    1 閥體材料的選擇與質(zhì)量控制

    管線球閥的閥體有分體式和全焊接2種結(jié)構(gòu)形式。分體式結(jié)構(gòu)一般由閥體、左右2個副體組成。閥體與副體采用螺栓連接，且閥體與副體面對面接觸，中間無間隙。分體式閥體材料的選擇和質(zhì)量控制與一般球閥無太大區(qū)別，主要是閥體的壁厚設計需考慮30a的腐蝕余量。管線球閥的全焊接閥體又分為圓筒狀和球形2種基本結(jié)構(gòu)。圓筒狀焊接閥體如圖1所示，主閥體與副閥體由2條各自獨立、互不相交的環(huán)焊縫焊接成一個完整圓筒狀閥體。

圖1 圓筒狀焊接閥體

    球形焊接閥體如圖2所示，左右對稱的主閥體由主焊縫焊接成一個球形焊接組件。它與上下對稱的閥頸由2條環(huán)形焊縫焊接成一個完整球形閥體。全焊接閥體的焊接接頭一般設計為窄間隙厚壁埋弧焊，如NPS48Class900的球狀全焊接管線球閥的焊接壁厚為140mm，為超大厚度筒狀焊接接頭。厚壁多層焊接過程是金屬材料多次反復加熱和冷卻的過程，會導致焊接接頭組織的不均勻性和劣質(zhì)化，產(chǎn)生較高的殘余應力，甚至產(chǎn)生焊接缺陷。焊接又是該產(chǎn)品組裝的zui后一道工序，閥腔內(nèi)有非金屬密封材料防爆氟橡膠，不能進行焊后熱處理。因此，這對管線球閥全焊接閥體材料的選擇和質(zhì)量控制提出了很高的要求。

圖2 球形焊接閥體

    1.1 閥體材料的選擇

    管線球閥的閥體通常選用ASTMA105、ASTMA350LF2、ASTMA51570、ASTMA51670等。當使用溫度為-29℃以上時，選用ASTMA105和ASTMA515Grade70；當使用溫度為－29℃以下時，選用ASTMA350LF2和ASTMA516Grade70。

    1.2 質(zhì)量控制要求

    全焊接閥體材料考慮強度的同時還需考慮可焊性。為了滿足全焊接球閥焊接要求，需增加焊接接頭的韌度儲備，閥體材料除了滿足ASMEB16.34、API6D及相關材料標準基本要求外，還應高于標準來提高閥體材料的沖擊韌度。為了滿足免焊熱處理要求，需對閥體材料的化學成分、碳的質(zhì)量分數(shù)、碳當量、錳的質(zhì)量分數(shù)、微量元素P和S進行控制，對鋼材的冶煉過程提出要求，對材料的屈強比和低溫沖擊韌度和硬度提出更為嚴格的要求。

    1.2.1 化學成分

    以ASTMA350LF2為例，全焊接閥體材料的化學成分質(zhì)量分數(shù)見表1。

表1 全焊接閥體材料ASTMA350LF2化學成分質(zhì)量分數(shù)%

    注：熔爐分析的Cu、Ni、Cr、V和Mo，其總質(zhì)量分數(shù)不能超過1.00%，Cr、Mo的總質(zhì)量分數(shù)不能超過0.32%；鍛件C的質(zhì)量分數(shù)＜

    0.18%，爐前分析的C的質(zhì)量分數(shù)＜0.16%，鍛件的碳當量（CE）＜0.43%。

    1.2.2 力學性能指標

    以ASTMA350LF2為例，全焊接閥體材料力學性能指標見表2。

表2 全焊接閥體材料ASTMA350LF2力學性能指標

    1.2.3 鍛造及熱處理要求

    鍛件需用平爐、電爐或純氧頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼，初煉包括單獨脫氣或精煉，然后使用電渣重熔或真空電弧重熔再熔煉。鋼應進行充分脫氧，細化晶粒操作。應切除足夠的切頭（廢料），以確保去除有害的氣泡或過度的熔析。鍛造比應不小于3，鍛造過程中應保證鍛件通過相變溫度時緩慢冷卻，zui終成型后和加熱進行熱處理前應充分冷卻至相變溫度以下。

    鍛件鍛后需進行熱處理，熱處理采用正火加回火方式，正火溫度（900±10）℃，回火溫度660～680℃。

    1.2.4 鍛件表面質(zhì)量要求

    （1）鍛件表面不得有毛細裂紋、結(jié)疤、層狀斷口、氧化皮、夾雜物、折皺、凹點及凸點等缺陷存在；

    （2）斷面或斷口上不得有層狀、亮區(qū)、白點及非金屬夾雜等缺陷；

    （3）不得出現(xiàn)碳化物偏析、折迭、開裂、龜裂、堆積、脫碳和晶粒粗大等有害缺陷；

    （4）鍛件不允許焊補。

    1.3 試驗方法

    1.3.1 取樣

    每一爐熱處理鍛件應取1組試樣（1個用于拉伸，3個用于沖擊），如果同爐熱處理的鍛件包括2個以上熔煉爐號，則每一熔爐號都應取1組試樣（1個用于拉伸，3個用于沖擊）。

    應在熱處理后的成品鍛件上取樣，試樣縱長軸平行于鍛件軋制時的zui大延伸方向。筒狀主閥體鍛件試件取樣如圖3所示，筒狀副閥體鍛件試件取樣如圖4所示，球狀閥體鍛件試件取樣如圖5所示，圖中的T為壁厚。

圖3 筒狀主閥體鍛件試件取樣示意圖

圖4 筒狀副閥體鍛件試件取樣示意圖

圖5 球狀閥體鍛件試件取樣示意圖

    1.3.2 試驗

    拉伸、沖擊和硬度試驗按ASTMA370的標準規(guī)定進行，鍛件超聲波檢測按ASTMA388的標準規(guī)定進行。

    1.4 檢驗標準

    （1）全焊接閥體鍛件檢驗項目和數(shù)量為：對化學成分、硬度、表面質(zhì)量和缺陷應逐件檢查，每爐檢查1次鍛件的力學性能和沖擊力。

    （2）鍛件硬度超出范圍判定為不合格。

    （3）低溫沖擊試樣的沖擊功（1組3個試樣的平均值）應符合表2的規(guī)定，并不得有1個以上試樣的沖擊功低于規(guī)定的平均20J，單個試樣的沖擊功值不應小于16J。

    （4）超聲波檢測按ASMEB16.34要求驗收，驗收標準為：用直探頭檢驗時，如果缺陷顯示等于或超過厚度為缺陷深度、直徑6.4mm（0.25in）平底孔的標準試樣中所得到的顯示，則為不合格；用斜探頭檢驗時，如果缺陷顯示等于或超過長25.4mm（1in）、深度不大于公稱壁厚5%的60°V形缺口標準試樣中所得到的顯示，則為不合格。

    2 組合密封閥座材料的選擇與質(zhì)量控制

    全焊接管線球閥的組合密封閥座結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由固定圈、閥座密封圈（次級密封）、閥座金屬圈、預緊彈簧、防火圈、擋圈和O形圈組成。

1—球體；2—固定圈；3—閥座密封圈（次級主密封）；4—閥座金屬圈；5—預緊彈簧；6

—防火圈；7—擋圈；8、9—O形圈；10—閥體。

圖6 組合密封閥座結(jié)構(gòu)示意圖

    全焊接球閥與常規(guī)球閥zui大的區(qū)別在于閥座密封圈（次級主密封）采用彈性體橡膠代替PT-FE塑料，這一改進使閥座在很小的壓差下即可獲得氣泡級的“零”泄漏，并可輕松實現(xiàn)DBB、DIB-1和DIB-2功能。如果用PTFE作為次級主密封的閥座密封圈材料，那么介質(zhì)壓力作用在閥座上，推動閥座與球體接觸，高分子材料上接觸應力使密封環(huán)發(fā)生宏觀變形，達到密封效果。但高分子材料不是一個彈性體，在介質(zhì)壓力下會產(chǎn)生局部彈塑性變形。如果采用彈性體橡膠作為閥座密封圈材料，作用在閥座上的介質(zhì)力只是把閥座推向球體，這個力不大，而真正密封的力是介質(zhì)進入彈性體凹槽的一側(cè)，壓迫彈性體發(fā)生彈性變形，就像彈簧被壓縮一樣，彈性體通過自身要求恢復初始形狀的力，作用在球體表面，這一密封原理稱為彈性體自身變形能密封原理。顯然這一密封效果好得多，只要合理地選擇凹槽與球面的間隙，其密封壓力差zui高可達到32MPa。

    由橡膠彈性體作為密封材料的組合密封座，其密封的截面形狀可以制作成O形和三角形，橡膠的邵氏硬度為98，并被牢固地鎖定在凹槽內(nèi)，其適用范圍的閥門壓力等級為Class150～Class900。常用的橡膠材料為：T49/TBSh98（HNBRhydro-genatednitryilrTherban）、T58sh98（FKMViton）全氟醚橡膠、T58/VED（FKM防爆型Viton）防爆型全氟醚橡膠和T58/GLTsh989FKMVitonGLT）全氟醚橡膠。各種橡膠材料適用的溫度范圍如圖7所示。

圖7 橡膠材料適用的溫度范圍

    長輸管線在正常運行時，橡膠彈性體或多或少受其表面溶解氣體的滲入和溶解作用，經(jīng)過一段時間后，橡膠彈性體的含氣量達到飽和。只要橡膠彈性體內(nèi)部氣體壓力與環(huán)境之間處于平衡狀態(tài)，受到的損壞就會zui小，密封性能也不會降低。除非受到其他因素的影響，如化學、熱力降解或擠出損害。但是，一旦橡膠彈性體周圍的壓力突然消失（如爆管），已滲入橡膠彈性體內(nèi)的氣體不能夠盡快地釋放，將發(fā)生爆炸減壓（ED）破壞，使橡膠彈性體失去密封性能。這種破壞不會立即出現(xiàn)，有時要幾個小時后才出現(xiàn)。因此不具有抗爆炸減壓（AED）性能的橡膠彈性體表面將呈現(xiàn)出開裂、鼓泡、內(nèi)部裂紋和疤痕等，如圖8所示。

圖8 爆炸減壓破壞形式

             曾有一家國外石油公司在深海平臺上第1次發(fā)現(xiàn)閥門爆炸減壓破壞，閥門失效后該公司不得不停止作業(yè)數(shù)周更換閥門，損失慘重。從此以后，石油公司要求閥門廠商提供的高壓閥門必須具有防爆減壓功能，并制定專門測試標準，如NORSOKM710、TOTALGSPVV142等。美國石油學會標準API6D也規(guī)定，設計壓力大于或等于PN100（Class600）的閥門必須設計為防爆炸減壓。

    3 結(jié)論

    （1）全焊接管線球閥苛刻的使用工況，對閥體和組合密封閥座材料的選擇和質(zhì)量控制提出了很高的要求。

    （2）全焊接球閥閥體材料在考慮強度的同時還需考慮可焊性，為了滿足全焊接管線球閥焊接要求，增加焊接接頭的韌度儲備，需對閥體材料的化學成分、碳的質(zhì)量分數(shù)、碳當量、錳的質(zhì)量分數(shù)、微量元素P和S、冶煉過程、材料屈強比、低溫沖擊韌度和硬度等進行特別控制。同時，需按質(zhì)量控制要求和檢驗項目加以檢驗，使全焊接管線球閥閥體材料滿足免焊后熱處理要求。

    （3）橡膠彈性體在全焊接管線球閥中大量應用并取得很好效果的原因是密封原理發(fā)生了根本的變化，其密封的截面形狀可以制作成O形和三角形，橡膠的邵氏硬度為98，并牢固地被鎖定在凹槽內(nèi)，其適用范圍的閥門壓力等級為Class150～Class900；大于或等于Class600的全焊接管線球閥的閥座密封面材料在考慮“零”泄漏的同時還需考慮防爆功能。

    （4）通過對全焊接管線球閥材料的正確選擇與嚴格的質(zhì)量控制，可使全焊接管線球閥滿足長輸管線苛刻的使用工況要求。