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摘 要：首先对双活塞效应阀座及自泄式阀座的设计原理进行了分析，在此基础上对长输管道应用的两种不同类型（DIB-1、DIB-2）的双隔离与排放球阀进行了比较，并结合实际生产经验，总结提出了管道球阀在选型应用中的注意事项及建议：输气管道分输站场中的球阀取消阀体安全泄放阀；输油管道球阀应根据阀门工艺位置及功能确定安装方向；对于稳定加热输送的热油管道，建议选择使用DIB-1型球阀以增强阀门密封性能。
关键字：球阀 密封 双活塞效应 自泄 双隔离与排放 选型
引言
管道球阀作为管输系统中的重要组成部分，是长输管道中使用最广泛、用量最大的设备，同时也是出现问题最多的设备。管道球阀在管输系统中主要起隔断作用，要求具有较好的密封性，不能存在内漏，而阀门内漏等各类故障与阀门密封原理密切相关，有必要对长输管道阀门密封原理开展研究，指导阀门的选型、安装、维护保养等工作。
1 球阀整体结构
球阀按照球体的固定方式可分为浮动式球阀和固定式球阀。浮动式球阀在大压差条件下开启时需要较大的工作扭矩，较少使用在大管径、高压的长输管道，而固定球阀在输油气管道中广泛应用。管道球阀球体通常为圆球结构，位置固定，球体上下转轴被分别固定在球体的轴承中，管道输送介质在球体上产生的作用力会全部传递给轴承，阀座不会承受过大压力，球阀球体也不会发生横向位移，因此，固定式球阀操作力矩相对较小。由于清管需要，管道球阀一般选用全通径球阀。
固定球阀一般会设置二重或三重密封。第一重为金属结构硬密封，防止流体中的杂质及颗粒划伤密封面，同时确保阀门在失火状态下的密封，满足防火要求。第二道密封又称作软密封，其密封材料主要有聚四氟乙烯、尼龙、氟橡胶等，少数阀门厂家会设计第三道密封以增强球阀密封性能。
2 球阀的密封原理与类型
2.1 阀座密封原理
固定式球阀阀座分为双活塞效应阀座和自泄式（也称单活塞效应）阀座。双活塞效应阀座能抵抗来自阀腔或管道侧的压力而保证双向密封，而自泄式阀座只能抵抗管道侧压力实现单向密封，但当阀腔承压时可实现阀腔自动泄压功能，避免阀体超压破裂的风险。
阀座的两种密封设计与其受力情况密切相关，假设阀座受到的合力为FR，阀座弹簧力为FF，流体对阀座的作用力为F△A，阀座管线侧与流体接触面积为Aa，阀座阀腔侧与流体接触面积为Ai，管线内流体压力为P，则无论阀腔是否带压，阀座的受力情况为：
![]() （1）
双活塞效应阀座受力分析。当阀腔不承压时，球阀腔内没有压力，由于此时Aa＞Ai，流体对阀座的作用力为F△A指向阀腔侧，如图1所示，合力FR方向指向阀腔侧，合力FR将迫使阀座密封圈向阀体靠近做挤压移动，尽管这种位移非常微小，只有千分之几英寸，但足以使阀座密封圈和阀体之间形成有效的密封。根据受力分析，介质压力P越大，合力FR越大，阀门密封效果越好。如果球阀阀腔承压，在这种情形下A'a＞A'i，流体对阀座的作用力为F'△A也指向阀腔侧，如图2所示，合力F'R的方向指向阀腔侧，迫使阀座密封圈挤压阀体形成密封。这时同样阀腔介质压力P越大，合力F'R也越大，密封效果也越明显。通过上述分析可知，双活塞效应的阀座无论阀腔是否带压，阀座总能和球体紧密接触而实现密封。
图1 阀腔不承压时双活塞效应阀座的受力情况
自泄式阀座受力分析。当球阀阀腔不承压时，自泄式阀座的密封原理同双活塞效应阀座的密封原理相同。当阀腔承压，阀腔内流体压力超过管线流体压力时，由于自泄式阀座结构不同于双活塞效应阀座，此时A"a＜A"i，管线内流体对阀座的作用力F"△A指向管道侧，与弹簧对阀座作用力方向相反，如图3所示，随着阀腔内流体压力P的增大，当流体对阀座的作用力F"△A大于弹簧作用力F"F时，阀座受到的合力F"R指向管道侧，迫使阀座密封圈与球体脱离并向管线侧进行移动形成空隙，阀腔内的压力得到泄放。由此可知，自泄式阀座只具备管道侧指向阀腔侧的单向密封性能，但阀腔超压时能够实现自泄压功能。
图3 阀腔内介质压力超过管线介质压力时自泄式阀座的受力情况
2.2 管道球阀密封类型比较
气管道干线球阀通常选用双隔离与排放（DIB）球阀，双隔长输油离与排放球阀又分为1型（DIB-1）和2型（DIB-2）两种。DIB-1型球阀目前应用于输气管道工程较多，DIB-2型球阀则在输油管道应用广泛。
DIB-1、DIB-2类型球阀结构上的区别在于两个阀座不同的组合型式。DIB-1型管线球阀的两个阀座均为双活塞效应的阀座，因此，阀门两个阀座均具备双向密封功能，无安装方向要求，在任意一侧阀座受损失效后，其另一侧阀座仍然可以保证球阀具备双向密封功能，但当截留在阀腔的介质为液体的情况下，需要在阀体配置安全泄放阀以保证阀体不会因介质膨胀导致超压。DIB-2型管线球阀一个阀座为自泄式阀座，另一个阀座为双活塞效应的阀座，为非对称结构，有安装方向要求，阀腔压力可通过自泄阀座向管道侧自动释放，不需要在阀体配置安全泄放阀。当双活塞效应阀座受损失效后，其自泄式阀座只具备管道侧指向阀腔侧的单向密封功能，故DIB-2型管线球阀的密封性能要低于DIB-1型阀门。
3 管道球阀选型建议
（1）输气管线分输站场中的DIB-1型球阀阀体取消安全泄放阀配置。阀体设置安全阀的目的是防止截留在阀门阀腔的气体膨胀超压，但通过理论分析，在输气管线分输站场中，温度的变化远不足以导致阀门阀腔膨胀超压，并且阀体上配置安全阀实际上是增加了一个潜在泄漏点，同时安全阀需要定期年检，增加了管道运行单位的设备维护工作量。阀门阀体是否设置安全阀要通过理论计算阀腔是否存在超压而确定，针对输气管线分输站场中的DIB-1型球阀而言，安全泄放阀起不到阀腔超压保护功能，建议用户在技术规格书中细化技术条件，取消安全阀配置。
（2）输油管道DIB-2型球阀应根据阀门工艺位置及功能确定安装方向。对于过滤器、流量计、调节阀两端截断球阀，靠近过滤器、流量计、调节阀一侧应为双活塞效应的阀座，远离过滤器、流量计、调节阀的另一侧为自泄式阀座，其目的是保证过滤器清洗、流量计检定、调节阀检修期间，每个截断球阀具备两道密封功能，保证作业安全，如果安装方向相反，截断球阀只能一道密封，留下设备隐患。
（3）对于常年稳定加热输送的输油管道，建议考虑使用DIB-1型阀门。输油管道通常选用DIB-2型阀门是因为其通过自泄式阀座具备阀腔自泄压功能，但阀门密封性能比DIB-1型阀门较差。对于运行工况稳定的热油管道，因输送工艺的需要，管道内介质的温度变化不大，不存在阀腔超压的可能性，阀门选型上若选择DIB-1型阀门，阀门较DIB-2型阀门增加了一道密封，减少阀门内漏几率，即使阀腔出现超压情况，也可通过在阀体设置安全泄压阀泄压，保证设备安全。
（4）建议阀门厂家在球阀阀体上标注阀门两端密封座的密封类型。因为阀门两端的密封型式不仅涉及到输油、输气阀门选型上的差异，也涉及到输油管道阀门安装方向的确定。为了给施工单位及运营单位提供便利，无论何种类型的阀门，建议阀门厂家在阀体标注球阀两端密封座的密封类型。
4 结论
管道球阀在长输油气管道工程中应用广泛，而密封可靠性是管道球阀最重要的性能。长输油气管道通常选用DIB-1、DIB-2两种不同类型的球阀，两者区别在于不同阀座型式的组合。阀门选型应用方面应结合不同的工艺生产运行条件，在保证安全的条件下选择应用密封性能优良的球阀类型。
来源：网络转载
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发表于 2016-10-27 14:23:15
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