管道电动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。

电动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。

2.1 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。

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。

2.2 管道电动球阀密封类型比较

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[5]。DIB-1 型球阀目前应用于输气管道工程较多[6],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。

(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。

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。