管線球閥的發(fā)展與結(jié)構(gòu)形式

　　管線球閥經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，形成兩大閥體結(jié)構(gòu)形式。一種是全焊接球狀閥體結(jié)構(gòu)，以美國(guó)Ca-meron公司為代表，其他有德國(guó)的Bosig公司、Shuck公司，日本TIX公司、Tubota公司，以及俄羅斯Tyazhpromarmatuva公司等。另一種是筒狀閥體結(jié)構(gòu)，有全焊接的，也有分體式的，以意大利Grove公司為代表，其他有意大利閥門公司、Perar公司、Nuovo Pignone公司、PCC公司、B.F.E公司和捷克的MSA公司等。

一、美國(guó)公司全焊接球狀管線球閥

　　在20世紀(jì)50年代，美國(guó)Cameron公司，推出一種球狀結(jié)構(gòu)，全焊接鍛鋼閥體的管線球閥（圖1），其結(jié)構(gòu)特征如下。

圖1 美國(guó)Cameron公司全焊接球狀閥體管線球閥

　�、匍y體是全焊接，球狀，由四塊鍛件拼接組成，焊接是在產(chǎn)品組裝完成后進(jìn)行，焊接工藝是最后一道工序，這樣形成一個(gè)封閉的產(chǎn)品，不可再分解、拆卸。這種以焊接作為產(chǎn)品最后一道工序的，稱為“焊接產(chǎn)品”。這樣，內(nèi)件如球體、密封座、密封環(huán)、軸承無須更換，因此，這種結(jié)構(gòu)上的合理性及其帶來的客戶效益，是在服役生命期內(nèi)的可靠密封（sealed for life）。另外，整體閥體提供了足夠的強(qiáng)度和剛性，產(chǎn)品經(jīng)彎曲試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)驗(yàn)證了閥體的強(qiáng)度和剛性。

　�、诳赊D(zhuǎn)動(dòng)閥座，閥座外緣加工成棘輪，球體表面上固定著一個(gè)撥動(dòng)機(jī)構(gòu)，球閥每開或關(guān)一次，棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。設(shè)計(jì)者的思路是考察球體對(duì)閥座之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，作用在閥座密封環(huán)帶上，磨損的不均勻性，憑借閥座的轉(zhuǎn)動(dòng)來獲得密封環(huán)磨損的均勻。但實(shí)踐結(jié)果恰恰和這一預(yù)期效果相反，閥座的轉(zhuǎn)動(dòng)加速了閥座的泄漏。因?yàn)楣艿乐猩傲３霈F(xiàn)在管線的底部，劃痕從密封環(huán)底部位置上發(fā)生，閥座的轉(zhuǎn)動(dòng)增加了泄漏點(diǎn)，這一原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在已不被人們所認(rèn)可。

　�、酃潭ㄇ蚪Y(jié)構(gòu)，球體上有兩個(gè)軸孔，插入兩個(gè)過盈配合的支承軸，形成一個(gè)組合球體，上支承軸作為驅(qū)動(dòng)軸，與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用花鍵連接。軸承采用低摩擦系數(shù)的PTFE塑料軸承，無須潤(rùn)滑，操作輕便。

　�、苄�轉(zhuǎn)閥座上的密封環(huán)材料為尼龍或PTFE，并被牢固地鎖定在金屬座圈內(nèi)。閥座與閥體之間的密封采用唇式密封結(jié)構(gòu)，用PTFE制成。背面有平板彈簧推動(dòng)，提供密封座的初始密封。當(dāng)密封座上軟密封失效時(shí)，有一個(gè)密封脂緊急注入通道，密封脂通過一個(gè)注油嘴和單向閥通向球體表面，提供一個(gè)臨時(shí)緊急密封。這一組合密封座結(jié)構(gòu)滿足DBB的功能要求以及低的密封壓力，避免產(chǎn)生高的操作轉(zhuǎn)矩，密封座的設(shè)計(jì)成為前級(jí)密封，具有自泄放功能，腔體壓力異常升高時(shí)，出口端閥座自動(dòng)排放。

　　⑤閥桿上的密封環(huán)用PTFE制造，有上、下兩個(gè)軸封，如果需要，上軸封可以被更換。

　�、蕻a(chǎn)品的火燒試驗(yàn)證明，塑料密封環(huán)被燒毀后密封座的金屬球面金屬相接觸，密封座與閥體間的PTFE唇式密封環(huán)燒毀后，碟形彈簧的兩個(gè)平面與閥體和閥座金屬面相接觸，其泄漏量的總和是有限的，能夠達(dá)到液滴密封等級(jí)（drop-tight）的要求。

　�、邔�(duì)于直埋地下的管線，閥桿可以被延伸，接至地面，排污管、取氣管、密封脂注入管亦接至地面。圖2是Cameron T-31型產(chǎn)品組裝圖，可以詳細(xì)看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2 Cameron T-31型產(chǎn)品組裝圖

1—螺釘；2—鎖緊墊片；3—指示器；4—墊板；5—螺母；6—軸限位塊；7—軸封壓蓋；8—軸外密封； 9—上閥體；10—排液堵頭；11—軸承；12—軸內(nèi)密封；13—組合球體；14—撥動(dòng)機(jī)構(gòu)；15—下閥體； 16—密封環(huán)；17，18—負(fù)載彈簧；19—唇式密封；20—連接端；21—塞子；22—單向閥

　　幾十年前Cameron公司這一全焊接球形鍛造閥體，固定球浮動(dòng)閥座，無螺栓連接的管線球閥問世，提供了一個(gè)緊湊型、高強(qiáng)度、輕重量、無維護(hù)的集成型產(chǎn)品，在長(zhǎng)輸管線中取代了傳統(tǒng)的管線閘閥，從此風(fēng)靡全球，而且時(shí)至今日，仍是管線工業(yè)中的主導(dǎo)產(chǎn)品，其壓力等級(jí)Class150～2500，通徑NPS12～42。

二、德國(guó)公司全焊接球狀管線球閥

　　而后，德國(guó)Borsig公司發(fā)展類似的全焊接球狀鍛鋼閥體結(jié)構(gòu)的管線球閥（圖3），在結(jié)構(gòu)上變化可以歸納為：

圖3  德國(guó)Borsig管線球閥

　�、偾蛐螝んw的焊縫在中間位置，殼體由左、右兩個(gè)半球殼組成，軸頸部分的焊接與加工在左、右閥體焊接之后，在工藝上有很大變化；

　�、隍�(qū)動(dòng)軸直接與球體相焊接；

　�、勖芊庾�的主密封采用氟橡膠或PTFE塑料，彈簧采用螺旋彈簧；

　�、茌S端密封有兩種結(jié)構(gòu)，O形橡膠密封或PTFE U形密封圈加石墨防火填料（圖4）。

圖4 軸端密封結(jié)構(gòu)

　　另外，在提供全焊接球狀閥體管線球閥的同時(shí)，并提供上裝式管線球閥。密封結(jié)構(gòu)與全焊接球形閥體管線球閥相同，殼體采用鑄件，上裝式結(jié)構(gòu)主要用于場(chǎng)站，需要在線維修的場(chǎng)合。

　　德國(guó)Borsig的閥門的發(fā)展中，除了一般的常規(guī)試驗(yàn)之外，還進(jìn)行了球體應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試，閥體彎曲試驗(yàn)和應(yīng)力分析，焊接殘余應(yīng)力測(cè)定，環(huán)境艙內(nèi)低溫下壓力與功能試驗(yàn)，扭矩測(cè)試等強(qiáng)度分析和附加形式試驗(yàn)，產(chǎn)品的規(guī)格:通徑NPS12～60，壓力等級(jí)Class150～900。

三、日本公司全焊接球狀管線球閥

　　日本KITZ公司、久保田鐵工（株）和TIX公司亦積極從事球狀閥體全焊接結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)工作，并且卓有成效和創(chuàng)新，可以以TIX公司產(chǎn)品作為代表來說明日本管線球閥的發(fā)展（圖5），其產(chǎn)品特征如下：

圖5 日本TIX管線球閥

　　①閥體由對(duì)稱的兩個(gè)左、右鍛造半球體組成，焊縫在中間，采用TIG焊，軸頸的填料箱體與閥體球殼焊接是一縱向焊縫，不同于德國(guó)的Borsig公司的橫向焊縫，焊縫處的應(yīng)力狀態(tài)更為合理；

　　②上、下軸頸填料箱體與球體之間增加一道密封，旨在防止固體顆粒進(jìn)入驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)；

　�、垓�(qū)動(dòng)軸與球體采用一個(gè)圓柱銷作為驅(qū)動(dòng)軸的鍵，來傳遞轉(zhuǎn)矩；

　�、芙M合密封座的密封環(huán)采用PTFE或尼龍，并用一個(gè)可動(dòng)內(nèi)環(huán)來固定（圖6）。

圖6 TIX組合密封座

　　日本的產(chǎn)品（包括KITZ和Tubota）都經(jīng)過嚴(yán)格的形式試驗(yàn)，這些試驗(yàn)除了耐壓強(qiáng)度、氣密性和動(dòng)作試驗(yàn)之外尚有砂粒磨損試驗(yàn)，異物嵌入試驗(yàn)，吹風(fēng)試驗(yàn)，外載荷彎曲，拉伸、壓縮試驗(yàn)，密封脂緊急注射泄漏量測(cè)定試驗(yàn)，長(zhǎng)期介質(zhì)浸漬試驗(yàn)，配管焊接時(shí)溫度分布的測(cè)定等。例如，久保田鐵工（株），Kubaba公司對(duì)于一個(gè)Class150，NPS8的閥門，提供彎曲試驗(yàn)時(shí)，在不同內(nèi)壓和不同外部彎曲載荷下的扭矩變化曲線（圖7）。產(chǎn)品在外載荷條件下，閥門的操作力矩沒有發(fā)生突變，開關(guān)是安全的。

圖7 外部彎曲載荷下的扭矩變化曲線

四、俄羅斯公司全焊接球狀管線球閥

　　俄羅斯Tyazhpromarmatuva公司亦是一家生產(chǎn)全焊接球形閥體管線球閥的工廠，其產(chǎn)品的外貌如圖8所示。

圖8 俄羅斯Tyazhpromarmatuva管線球閥

五、意大利Grove公司筒狀閥體管線球閥

　　在石油、天然氣長(zhǎng)輸管線的集輸與分輸站，以及天然氣加工工業(yè)中需要分體式閥體的管線球閥。意大利Grove公司最早發(fā)展了這一產(chǎn)品。按結(jié)構(gòu)可以分為兩段式（two pieces）和三段式（three pieces）閥體結(jié)構(gòu)，如圖9和圖10所示。

圖9 Grove兩段式閥體管線球閥

圖10 Grove三段式B-5型閥體管線球閥

　　B-4型兩段式閥體主要是用在NPS 4以下，壓力等級(jí)Class150～1500級(jí)。固定球結(jié)構(gòu)，浮動(dòng)閥座，前級(jí)進(jìn)口側(cè)密封，后級(jí)出口側(cè)閥腔壓力超壓泄放，球體表面鏡面拋光，驅(qū)動(dòng)軸與閥體接觸處有一減摩的推力墊，以降低啟閉轉(zhuǎn)矩。軸頸處兩道O形橡膠密封，有一個(gè)外部的限位機(jī)構(gòu)來限定閥門的“開”和“關(guān)”位置，有一個(gè)外部執(zhí)行器的連接平臺(tái)可供蝸輪箱或其他動(dòng)力裝置的安裝。這種固定球的結(jié)構(gòu)，在球體上有兩個(gè)軸孔，兩個(gè)固定軸精確地插入球孔中，有一對(duì)滑動(dòng)軸承來支撐作用在球體上的介質(zhì)力，保持球的回轉(zhuǎn)中心。由于采用浮動(dòng)閥座，減少并可控密封環(huán)的密封比壓，可以使產(chǎn)品服務(wù)于更高的壓力等級(jí)至Class1500級(jí)。兩個(gè)獨(dú)立的對(duì)置的浮動(dòng)閥座，背面各有一個(gè)碟形彈簧加載，提供密封必需的初始密封比壓，保證在低壓差條件下的密封性能。兩個(gè)閥座可以沿著流道的軸線方向做微小移動(dòng)。進(jìn)口端介質(zhì)壓力作用在閥座上，使用增強(qiáng)特氟龍材料制造的密封環(huán)緊貼球體表面，達(dá)到氣泡級(jí)無可見泄漏，并滿足DBB功能要求。

　　B-5型三段式閥體由主閥體和兩個(gè)副閥體組成，用一組螺栓將其連接起來，在主閥體的上部有一個(gè)孔，插入填料箱體，并由螺栓連接在閥體上，一塊用以連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支板，通過填料箱上預(yù)留的通孔，也用螺栓連接在主閥體上。這種閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，很大程度上削弱了主閥體的強(qiáng)度，最新版本的樣本，參照中國(guó)管線球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用焊接閥頸。球體上下有兩個(gè)支軸，并有兩塊帶有PTFE塑料軸承的支板支撐，使軸回轉(zhuǎn)中心不變。兩塊支板則夾持在左右副閥體的中間，這樣主閥體、副閥體，支板形成一個(gè)封閉的尺寸鏈，其間隙的控制，根據(jù)制造廠的經(jīng)驗(yàn)，既不能使固定球的回轉(zhuǎn)中心偏移，又不能使支撐板受過度的壓縮，發(fā)生應(yīng)變而影響球的驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軸插入球體軸頸內(nèi)，有一對(duì)高硬度、高強(qiáng)度的銷子來傳遞轉(zhuǎn)矩，使球體轉(zhuǎn)動(dòng)。由于介質(zhì)的力全部作用在支撐板上，驅(qū)動(dòng)軸不承受任何的側(cè)向力，只承受純的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，從而具有低的操作力矩和長(zhǎng)的使用壽命。軸的密封有上下兩道橡膠O形圈。上部的O形圈可以在帶壓情況下在線維修；下部O形圈如果閥門處于關(guān)閉位置，把腔體中壓力放至大氣后，也可以更換。

　　密封座采用高硬度氟橡膠O形圈作為密封材料來替代PTFE塑料。這一改進(jìn)使閥座在很小的壓差下即可獲得氣泡級(jí)的“零”泄漏。這樣，兩個(gè)密封座的設(shè)計(jì)可以由兩種功能設(shè)計(jì)。

　�、偾凹�(jí)（進(jìn)口端）閥座密封，后級(jí)（出口端）閥座排放，閥座是單向截止型的，稱為“單活塞效應(yīng)”（single piston effect），如圖11所示。

圖11 前級(jí)閥座密封，后級(jí)閥座排放-單活塞效應(yīng)

　�、谇昂蠹�(jí)密封座同時(shí)密封，即進(jìn)口端壓力高于閥腔，前級(jí)閥座是密封的；閥腔壓力高于出口端壓力，后級(jí)閥座也是密封的；閥腔與進(jìn)出口是隔離的（isolation），稱為雙活塞效應(yīng)（double piston effect），球的兩側(cè)均被閥座緊貼而密封，如圖12所示。仔細(xì)考察這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)施，是把密封點(diǎn)的密封直徑，置于閥座外側(cè)O形圈的中心的直徑位置上，當(dāng)進(jìn)口側(cè)壓力高于腔體壓差時(shí)，產(chǎn)生的推力作用在前閥座上，將閥座推向球體；當(dāng)閥腔壓力高于出口端壓力時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)推力，作用在后閥座上，也是推向球體，如圖12所示。這一雙活塞效應(yīng)在商業(yè)上大大地被宣揚(yáng)，贏得客戶的滿意。而且，同時(shí)滿足DBB功能的要求。至于就一個(gè)單獨(dú)的密封座而言，也是一個(gè)組合的密封座功能，即金屬對(duì)金屬的初級(jí)密封，橡膠彈性體對(duì)金屬次級(jí)主密封，以及在緊急情況下密封脂注射的緊急密封，同球形全焊接管線球閥組合密封座設(shè)計(jì)的概念一樣。

圖12 閥座雙活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)——雙重密封功能

　　另外，同樣由于采用彈性體橡膠密封的原因，背部加載的彈簧力，很容易使閥座在很低壓差條件下，并可獲得可靠的密封。

　　由于球體上的軸頸被很好地固定在球體的回轉(zhuǎn)中心，而且采用低摩擦因數(shù)的PTFE塑料軸承，從而獲得低的操作力矩。

　　主閥體與副閥體之間的防火結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)軸處的防火結(jié)構(gòu)如圖3-33所示，是一個(gè)石墨墊。防靜電結(jié)構(gòu)和軸防吹出結(jié)構(gòu)，如圖13所示。

圖13 防火和軸防吹出結(jié)構(gòu)

　　為了與全焊接閥體球狀結(jié)構(gòu)相競(jìng)爭(zhēng)，在這一分體式筒狀閥體的基礎(chǔ)上，將閥體連接螺栓代之以環(huán)向焊縫，就變?yōu)橐恢蝗�焊接筒形閥體管線球閥，它的內(nèi)部零件球體、閥座、軸都是和分體式筒狀閥體管線球閥通用的。這樣，在管線球閥的發(fā)展中形成兩大流派，一派是球狀全焊接閥體管線球，如美國(guó)Cameron，德國(guó)Bosig和Schuck，日本TIX和Tubota。另一派是筒狀閥體管線球閥，有全焊接閥體和分體式閥體兩種形式。除了意大利Grove司之外，尚有Parer， Nuovo Pignone，美國(guó)Velan，捷克MSA等，結(jié)構(gòu)幾乎類同，僅在驅(qū)動(dòng)軸與球體相連接部分，有的采用扁身，有采用方身來傳遞轉(zhuǎn)矩，筒狀閥體管線球閥的通徑為NPS12～60，壓力等級(jí)為Class150～2500。

　　在管道工業(yè)中，某些場(chǎng)合需要可以在線維修的上裝式管線球閥，它的結(jié)構(gòu)如圖14所示。一個(gè)鑄造的整體閥體，中間一個(gè)帶有兩個(gè)軸頸的球體，下軸頸與閥體相配合，中間有一個(gè)塑料減摩滑動(dòng)軸承支撐，上軸頸與閥門頂部端蓋相配合，中間亦有一個(gè)塑料滑動(dòng)軸承，這樣將球體固定在回轉(zhuǎn)中心上，驅(qū)動(dòng)軸與球體通過一個(gè)扁身來傳遞轉(zhuǎn)矩，閥座的結(jié)構(gòu)類同于分體式管線球閥閥座，主要是需要考慮裝配時(shí)和在線維修時(shí)能向水平方向兩側(cè)移動(dòng)，以便球體在開啟位置時(shí)，從閥座中取出或者裝入。上裝式管線球閥的通徑為NPS12～40，壓力等級(jí)為Class150～2500級(jí)。

圖14 上裝式管線球閥