近年來，隨著能源結構及能源區域重點的調整，我國石油、天然氣管線取得了飛速的發展。在以西氣東輸一線、二線為代表的管線工程建設中，其開關調節閥門很多都是采用上成熟應用的全焊接球閥。由于國內近幾年全焊接球閥的需求量很大，極大地推動了我國全焊接球閥技術的進步，同時由于我國的管路系統對壓力、材料和環境的要求都比較高，因此也對全焊接球閥提出了更高的要求。目前長輸管線對球閥的要求是：受力均勻、密封可靠、結構緊湊、重量輕、強度高等。

    本文通過對全焊接球閥的制造過程及焊接過程的介紹，以期為行業發展提供參考。

    1 全焊接球閥的結構和應用

    本文介紹的全焊接球閥采用球形單一焊縫，施焊采用全自動焊接工藝。該球閥具有受力均勻、密封可靠、結構緊湊、重量輕、強度高等特點，是技術性和經濟性兼備的管線球閥，廣泛應用于國內外，并打破了國內管線閥門以筒形制造為主的格局。

    1.1 球閥的結構設計

    本文所述的全焊接球閥結構如圖1所示。這種球閥跟傳統的三段式球閥zui大的區別就是封閉球體的方式采用焊接方式。因此在焊接過程中內外襯都很重要。此外，球閥在管線上的安裝也是采用焊接連接的方式。

圖1 全焊接球閥

    閥座密封構造一般為二重密封，即上游和下游二重密封。閥座嵌入圈具有優良的耐腐性、耐磨性和良好的彈性，具有高度的密封性能。閥座的構造如圖2所示。

圖2 閥座的構造

    閥座二重密封構造的原理如下所述。

    （1）上游側閥座的密封原理：因上游圧力，閥座受球擠壓形成密封，如圖3所示。閥座所受壓力F_上為：

圖3 上游密封原理

    式中p——管內壓力；

    F_s——彈簧力。

    （2）下游側閥座的密封原理：閥座因閥體內的壓力受球擠壓形成密封，如圖4所示。所受壓力F_下為：

圖4 下游密封原理

    式中p——管內壓力；

    F_s——彈簧力。

閥桿的密封采用抗旋轉性強的G-T（氟化橡膠和聚四氟乙烯）密封圈，進行上下二重密封。二重密封圈之間可以注入緊急密封脂， 用以緊急修復。閥桿的密封結構如圖5所示。

圖5 閥桿密封結構

    1.2 球閥的使用和維護

    閥座一旦需要緊急修復，可以通過圖6所示的方式對其進行修復，而不需要破壞焊接結構。閥體內部的零件（球、閥座圈等）產生的靜電通過彈簧、墊圈向閥體放電。從操作性角度看，因有耳軸支撐，可以用較小的力進行操作。耳軸部采用摩擦阻力小的聚四氟乙烯軸承。閥座為浮動閥座，閥座受球擠壓的力相對于流體壓力來說，數值較小。    

圖6 閥座緊急修復示意圖    

    維護管理方面，球閥一般不需做維護和保養。萬一密封部位發生泄漏，可注入密封脂進行緊急修復。閥座和閥桿密封的緊急修復，使用IKSS－3L密封脂。

    2 全焊接球閥的制造

    2.1 球閥主要構件的材料

    （1）閥體主要使用鍛件；

    （2）球體主要使用表面處理后的鍛件；

    （3）閥座圈使用18Cr-8Ni不銹鋼鍛件；

    （4）閥桿需要進行表面處理；

    （5）密封材料主要有環氧氯丙烷橡膠。

    2.2 焊接材料及焊接工藝

    球閥的焊接過程全部使用全自動焊接。

    （1）閥體焊接

    GTAW（鎢極氣體保護焊）+SAW（埋弧焊）

    （2）閥桿焊接

    GTAW（鎢極氣體保護焊）+GMAW（熔化極氣體保護焊）

    （3）接管焊接

    GTAW（鎢極氣體保護焊）+SAW（埋弧焊）

    3 全焊接球閥的檢測

    由于全焊接球閥的安裝是直接焊接在管線上的，因此其需要進行的檢測項目也與普通球閥有很大的區別。比較特殊的檢測要求有如下幾個方面。

    3.1 彎曲試驗

    球閥的彎曲試驗模擬管線在不同的沉降區域發生了管線撓曲，試驗過程如圖7所示。

圖7 彎曲試驗過程

    試驗方法：（1）連接閥門，施加4200kN·m的彎矩，測量閥門和管道的應力。（2）在空氣介質公稱工作壓力下測試閥門的密封性能。（3）測量閥門的開啟和關閉扭矩。

    試驗合格判定依據：（1）閥門各部位的應力在屈服強度以下。 （2） 無外部泄漏、閥座泄漏。（3）操作扭矩無異常。
3.2 閥門拉伸和壓縮試驗

    閥門拉伸和壓縮試驗過程如圖8所示。

圖8 閥門拉伸和壓縮試驗過程

    試驗方法：（1）連接閥門的配管加載19900kN的拉力和壓縮力。（2）施加0.4～0.7MPa的氣壓，進行外部泄漏、閥座泄漏、扭矩測量試驗。（3）測量閥門及袖管的應力。

    試驗合格判定依據：（1）閥門各部位的應力在屈服強度以下。  （2）無外部泄漏、閥座泄漏。（3）操作扭矩無異常。

    3.3 沖刷試驗

    沖刷試驗是模擬油氣運輸過程的一個測試。試驗過程如圖9所示。

圖9 沖刷試驗現場 

    試驗方法：（1） 在沖刷試驗裝置的配管中注入公稱工作壓力的氮氣。（2）打開閥門，讓流體通過沖刷閥座。  （3）檢查閥座有無異常。

    試驗合格判定依據：   （1）閥座未發現異常。（2）閥座的密封性能無異常。

    3.4 反復加壓操作試驗

    反復加壓操作試驗主要模擬實際操作過程中閥門的運作狀況及耐用性。

    試驗方法：（1） 先將閥門關閉， 對閥座施加公稱工作壓力的氣壓，然后將閥門全開。如此反復操作，重復200次。（2）在0.4～0.7MPa及公稱工作壓力的氣壓下檢查閥座有無泄漏。

    試驗合格判定依據： （1）閥座未發現泄漏。（2）閥門的閥座無異常。

    3.5 低溫反復操作試驗

    低溫反復操作試驗模擬我國西北和東北地區在冬天的極寒情況下閥門的操作狀況。

    試驗方法：（1）將球閥冷卻至-45℃，重復開關200次。  （2）重復開關后，在0.4～0.7MPa及公稱工作壓力氣壓下檢查閥座有無泄漏。

    試驗合格判定依據： （1）閥座未發現泄漏。（2）閥門的閥座無異常。

    3.6 異物咬合試驗

    異物咬合試驗模擬油氣運輸過程中內部有雜物的情況，要求在雜物進入球閥內的情況下，球閥仍能正常動作。

    試驗方法：（1）將不同目數的沙子、鐵銹、氧化皮各100mL放在閥座和球的接觸處。（2）進行250次開關。（3）每開關50次，在0.6MPa及7MPa氣壓下檢查閥座有無泄漏。   （4）在閥座部位注入密封脂，進行緊急修復試驗。

    試驗合格判定依據：（1）開關150次，閥座無泄漏。  （2）開關200次，小于180mL/min的泄漏。  （3）開關250次，小于625mL/min的泄漏。（4）在閥座部位注入密封脂后閥座無泄漏。（5）操作扭矩無變動，操作情況良好。

    3.7 吹垢試驗

    試驗方法：（1）將閥門關閉，在閥座前方放置1L的異物， 在放置異物側施加7MPa的氣壓，閥門開放16%，把異物吹入閥座。（2）在0.6MPa及7MPa的氣壓下，進行閥座泄漏試驗。

    試驗合格判定依據：閥座無泄漏，操作扭矩無異常。

    3.8 抗震試驗

    模擬地震，在振動試驗臺上，使用不同的載荷和不同的振幅、振動頻率，對球閥進行抗震試驗測試。

    試驗方法：（1）對加長桿加載，相當于地基滑坡時產生的土壓彎曲載荷。（2）測量閥門及加長桿部位的應力。（3）在圧力11.3MPa下進行密封試驗。（4）進行操作扭矩試驗。

    試驗合格判定依據：（1）各部位的應力在屈服強度以下。（2）閥門無泄漏，無異常。（3）操作扭矩無異常。

    4 結論

    球形構造的全焊接球閥具有受力均勻、結構緊湊、重量輕和強度高等優點。采用雙活塞效應的閥座結構和特制的密封橡膠材料，能夠有效地增強密封的可靠性，確保球閥長達30年的使用壽命。通過閥門的一系列測試，可以保證閥門在特殊工況下的使用要求。