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管道球閥的基本組成及工作原理
1．基本結構組成一般天然氣管道用球閥主要是由閥體、閥座、球體、閥桿及傳動裝置組成。球閥的主要功能是接通和切斷管道中流體的通道，球閥是通過傳動裝置讓球體旋轉(zhuǎn)90°來實現(xiàn)開、關功能的。常用的天然氣管道球閥主要有浮動球結構和固定球結構兩大類。
①浮動式球閥的球體是可以浮動的，在天然氣壓力的作用下，球體將被緊緊壓到出口側(cè)的密封圈上，這是將形成單密封，閥前閥座的密封不能保證。這種結構的球閥特點是結構簡單、單側(cè)密封性能好，但其密封面承受的壓力較大，故啟閉力矩大。
②而固定式結構球閥的球體具有上、下轉(zhuǎn)軸，下部轉(zhuǎn)軸被固定在閥體下部的軸承上，上部與閥桿相連。球體可沿與閥門通道垂直的軸線轉(zhuǎn)動，不能像浮動結構球閥一樣球體可以側(cè)向移動。因此，固定球球閥工作時，閥前流體的壓力只傳給軸承和閥桿，不會對閥座造成壓力，所以固定球閥轉(zhuǎn)矩小，閥座變形小，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長。固定球閥的閥座是浮動的，浮動閥座借助閥座后彈簧的壓力和天然氣的壓力壓緊球體，從而實現(xiàn)密封。

2．球閥的閥座最常用的閥座結構有以下幾種形式。
(1)普通閥座普通閥座一般用在直徑等于小于200mm浮動閥座的球閥上。普通閥座主要是在預緊力或流體的壓力作用下，閥座與球體壓緊，并使閥座材料產(chǎn)生塑性變形而達到密封，其密封效果取決于閥座在流體的作用下或預緊力的作用下，能夠補償球體不圓度和表面微觀不平度的程度。這種閥座結構簡單，加工制造方便，應用較為普遍。
(2)彈性閥座彈性閥座形式相對較多，但天然氣管線上常用的有螺旋彈簧組閥座和碟形彈簧閥座，這兩種閥座都是靠彈簧的彈力和流體的壓力將閥座推向球體，從而達到密封。這兩種閥座有很好的雙向密封能力和良好的彈性補償能力，但對于螺旋彈簧組閥座來說，每一支彈簧的剛度很難做到一致，以致閥座受力不均，影響閥門的密封性能。相比之下，碟形彈簧的結構簡單、緊湊、加工方便，且受力均勻。因此應用相當廣泛。
(3)旋轉(zhuǎn)閥座球閥在打開瞬間或關閉終了前，球體與閥座之間形成月牙形的狹窄通道，于是天然氣被節(jié)流而呈高速喘流湍流狀態(tài)，經(jīng)常導致閥座被沖蝕而發(fā)生內(nèi)漏。旋轉(zhuǎn)閥座的主要特點是閥門在啟閉過程中，閥座可沿通道的軸線作旋轉(zhuǎn)運動，通過開關閥門使閥座旋轉(zhuǎn)，可使閥座沿圓周方向均勻磨損，改善工作狀況，延長使用壽命
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(chǎn)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(chǎn)生變形。球形閥體結構受力狀況優(yōu)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(nèi)做球體支撐不易實施，一次性開模費用較高，但批量生產(chǎn)成本低于筒狀結構閥門。
分體式結構又分為側(cè)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(nèi)徑相當?shù)姆ㄌm進行類比設計，其連接強度必須防止管道盈利而產(chǎn)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(fā)展，已經(jīng)逐漸取代了具有外漏危險的分體式結構。
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(fā)作密封圈的中心在一個圓柱面上，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(xiàn)密封的閥座結構。即當上游介質(zhì)壓力高于中腔壓力時，介質(zhì)壓力會推動閥座密封圈向球體移動，使上游側(cè)推力與中腔側(cè)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?qū)崿F(xiàn)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(cè)，而改變閥座上下游側(cè)的受力面積，使中腔介質(zhì)推動閥座支撐圈的推力大于上游側(cè)介質(zhì)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(xiàn)密封。所以這種結構無論上游側(cè)壓力高還是下游側(cè)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
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(xiàn)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**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(nèi)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(zhì)會進入中腔，中腔壓力將增大，而中腔壓力的增大將會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(fā)生泄露。因此，就密封可靠性而言，雙密封閥座結構優(yōu)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(zhì)壓力，當閥門處于全開全關位置時，截留于中腔內(nèi)的介質(zhì)可能由于溫度的急劇變化，使閥腔出現(xiàn)異常增壓，經(jīng)計算，當截留于閥腔內(nèi)的氣體溫度由-30℃上升到70℃時（這種情況可能出現(xiàn)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(zhì)，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�！�1/2in。

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(nèi)的雜質(zhì)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(nèi)介質(zhì)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(zhì)。
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(fā)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(shù)企業(yè)采用O形密封，國內(nèi)企業(yè)以Δ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(nèi)外少數(shù)企業(yè)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(zhì)，這些雜質(zhì)經(jīng)常會把球面、閥座損壞，造成閥門內(nèi)漏，增加一道尼龍密封，阻擋管道內(nèi)的雜質(zhì)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(zhì)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**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
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(nèi)的焊渣、鐵銹、沙子等雜質(zhì)的擦傷、沖刷，其補償性能差，使用壽命難以得到保證。
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(tǒng)一起使用。該系統(tǒng)由注脂閥和止回閥組成，分別安裝于閥體外側(cè)的閥座部位和閥桿填料函外徑上。該系統(tǒng)是一種補救措施，可以在緊急狀態(tài)下阻止或減少管線閥門密封座的泄露，將閥門的徹底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，以徹底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(xiàn)問題，介質(zhì)就會外漏，造成環(huán)境污染、引發(fā)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**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(fā)生火災時可以**地減少介質(zhì)的外漏。有人將兩道O型圈密封分開，當閥桿密封出現(xiàn)泄漏時，可以對外層密封在帶壓情況下進行檢修更換，這種結構更加先進、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(yōu)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(nèi)置特殊彈簧的高性能密封圈，由適當?shù)膹椈闪�加上系統(tǒng)流體壓力，將密封面頂出而壓在被密封的金屬面以產(chǎn)生非常優(yōu)異的密封效果，聚四氟乙烯抗老化、耐低溫，適用介質(zhì)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≤0.005 mm，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。
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(zhì)推力通過支撐板傳遞到閥體上，閥桿不承受介質(zhì)推力，這種結構可以大大降低閥門的啟閉力矩，**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(zhì)推力傳遞到閥體上，這種結構閥桿要承受介質(zhì)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(tài)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(fā)生火災的時候可以**地減少介質(zhì)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(chǎn)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(guī)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(tài)還是關閉狀態(tài)，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。
8、其他設計結構
其他結構設計如放空、排污、注脂、吊耳等，國內(nèi)外沒有差異。
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