管線球閥的閥體是一個承壓部件，除了承受內(nèi)部介質(zhì)的壓力之外，還需承受外部載荷，如地基沉降、山體滑坡、洪水、泥石流和地震等自然災(zāi)害引起的彎曲載荷，以及由于晝夜溫度變化、冬夏季節(jié)性溫度變化引起的拉伸。
管線球閥的閥體是一個承壓部件，除了承受內(nèi)部介質(zhì)的壓力之外，還需承受外部載荷，如地基沉降、山體滑坡、洪水、泥石流和地震等自然災(zāi)害引起的彎曲載荷，以及由于晝夜溫度變化、冬夏季節(jié)性溫度變化引起的拉伸和壓縮載荷。在寒冷及冰凍地區(qū)應(yīng)考慮管線閥體材料的低溫沖擊韌度，以防止低溫脆裂。管線球閥在輸送石油和天然氣過程中，不可避免地存在焊渣、鐵屑和砂粒等物質(zhì)。為保證管線球閥在30a服役期內(nèi)*“零”泄漏，其閥座需設(shè)計成組合密封結(jié)構(gòu)。
組合密封結(jié)構(gòu)特征為：①金屬對金屬的初始“密封”，以阻擋固體顆粒進入次級密封；②用PT-FE、NYLON或橡膠等軟密封材料作為次級密封，保證*“零”泄漏；③緊急情況下（如軟密封或球面出現(xiàn)劃痕），通過緊急密封系統(tǒng)注入密封脂，滿足緊急狀態(tài)下臨時密封的需要，將閥門的維護延遲到下一個預(yù)定的管線關(guān)閉期。
閥體和組合密封閥座是管線球閥的關(guān)鍵部件，其材料選擇的正確與否及質(zhì)量控制是否到位直接決定閥門是否能夠滿足苛刻的工況要求。
1 閥體材料的選擇與質(zhì)量控制
管線球閥的閥體有分體式和全焊接2種結(jié)構(gòu)形式。分體式結(jié)構(gòu)一般由閥體、左右2個副體組成。閥體與副體采用螺栓連接，且閥體與副體面對面接觸，中間無間隙。分體式閥體材料的選擇和質(zhì)量控制與一般球閥無太大區(qū)別，主要是閥體的壁厚設(shè)計需考慮30a的腐蝕余量。管線球閥的全焊接閥體又分為圓筒狀和球形2種基本結(jié)構(gòu)。圓筒狀焊接閥體如圖1所示，主閥體與副閥體由2條各自獨立、互不相交的環(huán)焊縫焊接成一個完整圓筒狀閥體。
圖1 圓筒狀焊接閥體
球形焊接閥體如圖2所示，左右對稱的主閥體由主焊縫焊接成一個球形焊接組件。它與上下對稱的閥頸由2條環(huán)形焊縫焊接成一個完整球形閥體。全焊接閥體的焊接接頭一般設(shè)計為窄間隙厚壁埋弧焊，如NPS48Class900的球狀全焊接管線球閥的焊接壁厚為140mm，為超大厚度筒狀焊接接頭。厚壁多層焊接過程是金屬材料多次反復(fù)加熱和冷卻的過程，會導(dǎo)致焊接接頭組織的不均勻性和劣質(zhì)化，產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，甚至產(chǎn)生焊接缺陷。焊接又是該產(chǎn)品組裝的zui后一道工序，閥腔內(nèi)有非金屬密封材料防爆氟橡膠，不能進行焊后熱處理。因此，這對管線球閥全焊接閥體材料的選擇和質(zhì)量控制提出了很高的要求。
圖2 球形焊接閥體
1.1 閥體材料的選擇
管線球閥的閥體通常選用ASTMA105、ASTMA350LF2、ASTMA51570、ASTMA51670等。當(dāng)使用溫度為-29℃以上時，選用ASTMA105和ASTMA515Grade70；當(dāng)使用溫度為－29℃以下時，選用ASTMA350LF2和ASTMA516Grade70。
1.2 質(zhì)量控制要求
全焊接閥體材料考慮強度的同時還需考慮可焊性。為了滿足全焊接球閥焊接要求，需增加焊接接頭的韌度儲備，閥體材料除了滿足ASMEB16.34、API6D及相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)基本要求外，還應(yīng)高于標(biāo)準(zhǔn)來提高閥體材料的沖擊韌度。為了滿足免焊熱處理要求，需對閥體材料的化學(xué)成分、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳當(dāng)量、錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微量元素P和S進行控制，對鋼材的冶煉過程提出要求，對材料的屈強比和低溫沖擊韌度和硬度提出更為嚴(yán)格的要求。
1.2.1 化學(xué)成分
以ASTMA350LF2為例，全焊接閥體材料的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。
表1 全焊接閥體材料ASTMA350LF2化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%
注：熔爐分析的Cu、Ni、Cr、V和Mo，其總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能超過1.00%，Cr、Mo的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能超過0.32%；鍛件C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜
0.18%，爐前分析的C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.16%，鍛件的碳當(dāng)量（CE）＜0.43%。
1.2.2 力學(xué)性能指標(biāo)
以ASTMA350LF2為例，全焊接閥體材料力學(xué)性能指標(biāo)見表2。
表2 全焊接閥體材料ASTMA350LF2力學(xué)性能指標(biāo)
1.2.3 鍛造及熱處理要求
鍛件需用平爐、電爐或純氧頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼，初煉包括單獨脫氣或精煉，然后使用電渣重熔或真空電弧重熔再熔煉。鋼應(yīng)進行充分脫氧，細化晶粒操作。應(yīng)切除足夠的切頭（廢料），以確保去除有害的氣泡或過度的熔析。鍛造比應(yīng)不小于3，鍛造過程中應(yīng)保證鍛件通過相變溫度時緩慢冷卻，zui終成型后和加熱進行熱處理前應(yīng)充分冷卻至相變溫度以下。
鍛件鍛后需進行熱處理，熱處理采用正火加回火方式，正火溫度（900±10）℃，回火溫度660～680℃。
1.2.4 鍛件表面質(zhì)量要求
（1）鍛件表面不得有毛細裂紋、結(jié)疤、層狀斷口、氧化皮、夾雜物、折皺、凹點及凸點等缺陷存在；
（2）斷面或斷口上不得有層狀、亮區(qū)、白點及非金屬夾雜等缺陷；
（3）不得出現(xiàn)碳化物偏析、折迭、開裂、龜裂、堆積、脫碳和晶粒粗大等有害缺陷；
（4）鍛件不允許焊補。
1.3 試驗方法
1.3.1 取樣
每一爐熱處理鍛件應(yīng)取1組試樣（1個用于拉伸，3個用于沖擊），如果同爐熱處理的鍛件包括2個以上熔煉爐號，則每一熔爐號都應(yīng)取1組試樣（1個用于拉伸，3個用于沖擊）。
應(yīng)在熱處理后的成品鍛件上取樣，試樣縱長軸平行于鍛件軋制時的zui大延伸方向。筒狀主閥體鍛件試件取樣如圖3所示，筒狀副閥體鍛件試件取樣如圖4所示，球狀閥體鍛件試件取樣如圖5所示，圖中的T為壁厚。
圖3 筒狀主閥體鍛件試件取樣示意圖
圖4 筒狀副閥體鍛件試件取樣示意圖
圖5 球狀閥體鍛件試件取樣示意圖
1.3.2 試驗
拉伸、沖擊和硬度試驗按ASTMA370的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行，鍛件超聲波檢測按ASTMA388的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行。
1.4 檢驗標(biāo)準(zhǔn)
（1）全焊接閥體鍛件檢驗項目和數(shù)量為：對化學(xué)成分、硬度、表面質(zhì)量和缺陷應(yīng)逐件檢查，每爐檢查1次鍛件的力學(xué)性能和沖擊力。
（2）鍛件硬度超出范圍判定為不合格。
（3）低溫沖擊試樣的沖擊功（1組3個試樣的平均值）應(yīng)符合表2的規(guī)定，并不得有1個以上試樣的沖擊功低于規(guī)定的平均20J，單個試樣的沖擊功值不應(yīng)小于16J。
（4）超聲波檢測按ASMEB16.34要求驗收，驗收標(biāo)準(zhǔn)為：用直探頭檢驗時，如果缺陷顯示等于或超過厚度為缺陷深度、直徑6.4mm（0.25in）平底孔的標(biāo)準(zhǔn)試樣中所得到的顯示，則為不合格；用斜探頭檢驗時，如果缺陷顯示等于或超過長25.4mm（1in）、深度不大于公稱壁厚5%的60°V形缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣中所得到的顯示，則為不合格。
2 組合密封閥座材料的選擇與質(zhì)量控制
全焊接管線球閥的組合密封閥座結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由固定圈、閥座密封圈（次級密封）、閥座金屬圈、預(yù)緊彈簧、防火圈、擋圈和O形圈組成。
1—球體；2—固定圈；3—閥座密封圈（次級主密封）；4—閥座金屬圈；5—預(yù)緊彈簧；6
—防火圈；7—擋圈；8、9—O形圈；10—閥體。
圖6 組合密封閥座結(jié)構(gòu)示意圖
全焊接球閥與常規(guī)球閥zui大的區(qū)別在于閥座密封圈（次級主密封）采用彈性體橡膠代替PT-FE塑料，這一改進使閥座在很小的壓差下即可獲得氣泡級的“零”泄漏，并可輕松實現(xiàn)DBB、DIB-1和DIB-2功能。如果用PTFE作為次級主密封的閥座密封圈材料，那么介質(zhì)壓力作用在閥座上，推動閥座與球體接觸，高分子材料上接觸應(yīng)力使密封環(huán)發(fā)生宏觀變形，達到密封效果。但高分子材料不是一個彈性體，在介質(zhì)壓力下會產(chǎn)生局部彈塑性變形。如果采用彈性體橡膠作為閥座密封圈材料，作用在閥座上的介質(zhì)力只是把閥座推向球體，這個力不大，而真正密封的力是介質(zhì)進入彈性體凹槽的一側(cè)，壓迫彈性體發(fā)生彈性變形，就像彈簧被壓縮一樣，彈性體通過自身要求恢復(fù)初始形狀的力，作用在球體表面，這一密封原理稱為彈性體自身變形能密封原理。顯然這一密封效果好得多，只要合理地選擇凹槽與球面的間隙，其密封壓力差zui高可達到32MPa。
由橡膠彈性體作為密封材料的組合密封座，其密封的截面形狀可以制作成O形和三角形，橡膠的邵氏硬度為98，并被牢固地鎖定在凹槽內(nèi)，其適用范圍的閥門壓力等級為Class150～Class900。常用的橡膠材料為：T49/TBSh98（HNBRhydro-genatednitryilrTherban）、T58sh98（FKMViton）全氟醚橡膠、T58/VED（FKM防爆型Viton）防爆型全氟醚橡膠和T58/GLTsh989FKMVitonGLT）全氟醚橡膠。各種橡膠材料適用的溫度范圍如圖7所示。
圖7 橡膠材料適用的溫度范圍
長輸管線在正常運行時，橡膠彈性體或多或少受其表面溶解氣體的滲入和溶解作用，經(jīng)過一段時間后，橡膠彈性體的含氣量達到飽和。只要橡膠彈性體內(nèi)部氣體壓力與環(huán)境之間處于平衡狀態(tài)，受到的損壞就會zui小，密封性能也不會降低。除非受到其他因素的影響，如化學(xué)、熱力降解或擠出損害。但是，一旦橡膠彈性體周圍的壓力突然消失（如爆管），已滲入橡膠彈性體內(nèi)的氣體不能夠盡快地釋放，將發(fā)生爆炸減壓（ED）破壞，使橡膠彈性體失去密封性能。這種破壞不會立即出現(xiàn)，有時要幾個小時后才出現(xiàn)。因此不具有抗爆炸減壓（AED）性能的橡膠彈性體表面將呈現(xiàn)出開裂、鼓泡、內(nèi)部裂紋和疤痕等，如圖8所示。
圖8 爆炸減壓破壞形式
曾有一家國外石油公司在深海平臺上第1次發(fā)現(xiàn)閥門爆炸減壓破壞，閥門失效后該公司不得不停止作業(yè)數(shù)周更換閥門，損失慘重。從此以后，石油公司要求閥門廠商提供的高壓閥門必須具有防爆減壓功能，并制定專門測試標(biāo)準(zhǔn)，如NORSOKM710、TOTALGSPVV142等。美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API6D也規(guī)定，設(shè)計壓力大于或等于PN100（Class600）的閥門必須設(shè)計為防爆炸減壓。
3 結(jié)論
（1）全焊接管線球閥苛刻的使用工況，對閥體和組合密封閥座材料的選擇和質(zhì)量控制提出了很高的要求。
（2）全焊接球閥閥體材料在考慮強度的同時還需考慮可焊性，為了滿足全焊接管線球閥焊接要求，增加焊接接頭的韌度儲備，需對閥體材料的化學(xué)成分、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳當(dāng)量、錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微量元素P和S、冶煉過程、材料屈強比、低溫沖擊韌度和硬度等進行特別控制。同時，需按質(zhì)量控制要求和檢驗項目加以檢驗，使全焊接管線球閥閥體材料滿足免焊后熱處理要求。
（3）橡膠彈性體在全焊接管線球閥中大量應(yīng)用并取得很好效果的原因是密封原理發(fā)生了根本的變化，其密封的截面形狀可以制作成O形和三角形，橡膠的邵氏硬度為98，并牢固地被鎖定在凹槽內(nèi)，其適用范圍的閥門壓力等級為Class150～Class900；大于或等于Class600的全焊接管線球閥的閥座密封面材料在考慮“零”泄漏的同時還需考慮防爆功能。
（4）通過對全焊接管線球閥材料的正確選擇與嚴(yán)格的質(zhì)量控制，可使全焊接管線球閥滿足長輸管線苛刻的使用工況要求。
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